Un transformateur de puissance est un composant électrique haute-tension essentiel dans l'exploitation des réseaux électriques. Sa définition selon la commission électrotechnique internationale est la suivante : . Sa principale utilité est de réduire les pertes dans les réseaux électriques. Il peut être monophasé ou triphasé et recevoir divers couplages : étoile, triangle et zigzag.

On retrouve les transformateurs de puissance dans différents types d'applications : dans les réseaux de transmission électrique, dans la distribution électrique, dans les usines en amont de fours électriques notamment et dans les trains. Chacun répondant à des contraintes et des usages très différents.

La CEI divise les transformateurs de puissance dans l'huile en trois catégories en fonction de la puissance apparente : jusqu'à en triphasé ou en monophasé (divisé par 3) on parle de , au-delà et jusqu'à en triphasé respectivement en monophasé de , au-delà de CEI 60076-7, clause 3.1-3.3, version 2005. Les transformateurs de distribution sont très nombreux dans le monde, ceux de grande puissance le sont moins.

De nombreux aspects sont à prendre en compte pour leur conception : circuit magnétique, enroulements, conducteurs, isolation, cuve, système de refroidissement. Par ailleurs, le transformateur est indissociable d'autres composants qui doivent être conçus en même temps comme le changeur de prises, les traversées isolées, les protections et leurs capteurs. Le transformateur doit être capable de résister sans dommage à la fois aux aléas du réseau électrique : surtensions, courts-circuits, courants d'enclenchement et surcharges ; et aux autres contraintes mécaniques liées le tout dans des conditions météorologiques diverses. Le transport est également un élément critique. La conception d'un transformateur de puissance est donc une entreprise complexe, assistée de nos jours par les outils informatiques. Elle est validée après la fabrication du transformateur par une phase de test, qui vérifie aussi la qualité de l'ensemble.

Les protections permettent de détecter les défauts électriques trop importants et de déconnecter le transformateur du réseau afin d'en assurer la sécurité. De par leur rôle stratégique dans le réseau, les transformateurs sont l'objet d'une surveillance accrue. Afin d'en assurer une bonne maintenance sans nuire à leur disponibilité de nombreuses techniques de diagnostics, faisant appel à du traitement du signal, ont été mises au point.

De nombreux types de transformateurs de puissance différents existent, chacun ayant leurs spécificités. Par conséquent, il y a de nombreux fabricants de transformateurs, même si le marché est dominé par quelques gros acteurs.

Les transformateurs de puissance ont le défaut d'être souvent bruyants, de pouvoir prendre feu et de causer des pertes, même si elles sont faibles en proportion. Les recherches actuelles tentent de remédier à ces problèmes et de réduire leurs pertes, leur bruit et leur impact écologique général. Les nouveaux types d'huile et les matériaux supraconducteurs sont des pistes à l'étude.

thumb|upright=2.0|Un transformateur de puissance dans un poste électrique|alt=Ressemble vaguement à un grosse boîte d'acier surmontée de 3 cylindres en porcelaine, les traversées, dont les extrémités sont reliées aux lignes électriques thumb|Symbole d'un transformateur à deux enroulementsCEI 60417-1, clause 5156, version 2002CEI 60617-2009, clause S00841 et S00844, version 2009|alt=Deux cercles qui s'entremêlent. Chacun est relié à un trait vertical, représentant la connexion au reste du schéma électrique.

Principe

right|upright=2.0|thumb|Transformateur monophasé idéal|alt=Deux bobines : celle du primaire et celle du secondaire entourent le circuit magnétique, c'est-à-dire un morceau métallique « ferreux » fermé sur lui-même. Le noyau est réalisé en plaques (ou lamelles) superposées et isolées les unes des autres afin d'éviter des courants de Foucault à l'intérieur du matériau. Un transformateur est un élément statique qui transfère de l'énergie électrique entre deux circuits grâce à l'induction électromagnétique. Les deux circuits sont donc séparés électriquement, galvaniquement, mais couplés magnétiquement.

Un transformateur idéal ou parfait est un transformateur virtuel sans aucune perte. Il est utilisé pour modéliser les transformateurs réels. Ces derniers sont considérés comme une association d'un transformateur parfait et de diverses impédances.

Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de spires primaires sur le nombre de spires secondaires détermine totalement le rapport de transformation du transformateur.

Exemple un transformateur dont le primaire comporte alimenté par une tension sinusoïdale de de tension efficace, le secondaire qui comporte présentera à ses bornes une tension sinusoïdale dont la valeur efficace sera égale à .

.

Comme on néglige les pertes, la puissance est transmise intégralement, c'est pourquoi l'intensité du courant dans le secondaire sera dans le rapport inverse soit, dans cet exemple de transformation de en , près de plus importante que celle circulant dans le primaire.

De l'égalité des puissances apparentes : , soit : , on tire: .

Objectif

Le transport d'électricité entraîne des pertes dues à l'effet Joule, qui dépendent de l'intensité I, de la tension U et de la résistance R de la ligne. Pour du courant triphasé on obtient :

Pour une même puissance électrique transmise par la ligne et à résistance égale, les pertes par effet Joule diminuent donc comme le carré de la tension : elles sont divisées par quatre quand la tension double. Ainsi, une ligne d'une centaine de km avec une résistance de sur laquelle circule entraînerait environ de perte Joules si elle était exploitée à , mais seulement si elle était exploitée à . L'objectif premier des transformateurs de puissance dans les réseaux électriques est donc d'élever la tension à des niveaux élevés pour transporter l'électricité avec le minimum de pertes.

Par ailleurs, une haute tension dans l'ensemble du réseau poserait des problèmes de sécurité. L'usage des transformateurs de puissance est donc inévitable pour garantir à la fois la sécurité domestique et un transport d'électricité économique. Par ailleurs, les transformateurs n'ayant pas de pièce en mouvement, si on excepte le changeur de prises, leurs pertes sont très limitées.

Dans le cas des transmissions à courant continu, le transformateur de puissance a également un rôle de séparation électrique entre les thyristors d'un côté et le réseau en courant alternatif de l'autre, son impédance de fuite fait en effet entre les deux côtés. Par ailleurs l'usage de deux transformateurs, l'un couplé en étoile-étoile et l'autre couplé en étoile-triangle (voir ci-dessous), introduit un déphasage de qui permet la connexion de deux ponts entre eux. Le changeur de prises qui équipe souvent les transformateurs peut également être utilisé dans le réglage de la puissance réactive fournie ou consommée par l'installation à courant continu.

Histoire thumb|left|Transformateur cuirassé, conçu par Uppenborn suivant les brevets de 1885 des ingénieurs Ganz.

Le principe de l'induction électromagnétique est découvert indépendamment par Michael Faraday et Joseph Henry en 1831. Mais Faraday ayant publié le premier ses résultats expérimentaux, le crédit de la découverte lui revient.

Faraday avec ses bobines enroulées autour d'un anneau de fer, crée en fait le premier transformateur toroïdal, mais n'en prévoit pas les applications pratiques.

Le travail sur les bobines d'induction est poursuivi par le révérend Nicholas Callan du St Patrick's College de Maynooth en Irlande en 1836. Il est l'un des premiers à comprendre l'influence des nombres de tours de fil des bobines primaire et secondaire sur la force électromotrice produite. Les bobines évoluent grâce aux efforts des différents scientifiques et inventeurs qui cherchent à augmenter la tension provenant de batteries connectées au primaire. Ces batteries fournissant du courant continu, il faut ouvrir régulièrement le circuit afin d'obtenir la variation de tension et donc la variation de flux nécessaire à l'induction. Ceci est réalisé à l'aide de , réalisant des ouvertures et fermetures successives du circuit. Ce système a d'ailleurs été repris pendant des dizaines d'années pour commander l'allumage des moteurs à essence, déclenché par un rupteur cité dans , voir aussi . Entre les années 1830 et 1870, les progrès dans le domaine, surtout réalisés par tâtonnement, fournissent les bases de la compréhension des futurs transformateurs.

Dans les années 1870 apparaissent des générateurs électriques de courant alternatif. On se rend compte que le système d'ouvertures-fermetures successives du circuit devient inutile, puisque le courant généré passe par une valeur zéro en alternant son sens de circulation. En 1876, l'ingénieur russe Pavel Iablotchkov invente un système d'éclairage basé sur un lot de bobines d'induction, dans lesquelles la bobine primaire est connectée à une source de courant alternatif et la bobine secondaire branchée à plusieurs qu'il a conçues lui-même.. Son montage avec 2 bobines d'induction est, fondamentalement, un transformateur.

thumb|Les ingénieurs de la société Ganz inventent le transformateur moderne|alt=Noir et blanc, les trois sont habillés en costume noir avec chemise blanche et nœuds papillons noirs. Les deux de gauche ont une barbe et sont bruns, celui de droite à une moustache et des cheveux blancs. thumb|Transformateur à colonne de 1885. Plus vieil exemplaire du transformateur moderne de l'usine Ganz.|alt=Tore métallique avec une bobine l'entourant. Ces éléments métalliques sont placés entre deux plaques de bois thumb|Transformateur de Stanley de 1886 avec un entrefer ajustable.|alt=Un tore avec une bobine enroulée autour. Le tore peut être ouvert à l'aide d'une vis ce qui crée un entrefer. À côté la même chose mais le circuit magnétique n'est pas torique mais carré. Le premier système à circuit magnétique en fer est exposé par Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs à Londres en 1882, qui le dénomment générateur secondaire. Après l'exposition, Gaulard et Gibbs vendent leur idée à la société américaine Westinghouse. Ils présentent une nouvelle fois leur invention à Turin en 1884, où elle sera utilisée pour le système d'éclairage. Toutefois le rendement de leur appareil reste bas.

Les bobines d'induction avec un circuit magnétique ouvert sont peu efficaces pour le transfert de puissance électrique. Jusque dans les années 1880, pour transférer de la puissance en courant alternatif depuis une source en haute-tension à des charges en basse tension, on les connecte toutes en série. Les primaires des transformateurs à circuit ouvert avec un rapport proche de 1:1 sont alors branchés en série avec la source de tension, et les secondaires sont branchés aux lampes.Le problème est que quand une lampe est allumée ou éteinte cela influe sur la tension aux bornes de toutes les autres dans le circuit. Des transformateurs variables sont introduits pour régler ce problème, certains utilisent une modification de leur circuit magnétique voire détournent une partie du flux magnétique pour faire varier leur rapport de conversion.