Un transformateur électrique (parfois abrégé en « transfo ») est une machine électriqueMikhail Kostenko et Ludvik Piotrovski, Machines électriques, , Machines à courant continu, transformateurs, Éditions de Moscou (MIR), 1969, , 1979, 766, « Deuxième partie – Transformateurs », , .Charles Harel, Machines électriques et essais de Machines, Société française des électriciens – École supérieure d'électricité, Paris, 1960, , . permettant de modifier la tension efficace délivrée par une source d'énergie électrique alternative, une transformation qu'il effectue avec un excellent rendement.
On distingue les transformateurs statiques et les commutatrices. Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci permet de réaliser une isolation galvanique entre les deux circuits. Dans une commutatrice, l'énergie est transmise de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique. thumb|Vue en coupe d'un transformateur triphasé. thumb|Montage d'un transformateur (Allemagne, 1981).
Découverte thumb|upright|L'expérience de Faraday avec l'induction entre des bobines..thumb|upright|Transformateur de Faraday. 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..
La relation entre la force électromotrice, qui est homogène à une tension, et le flux magnétique est formalisée dans la loi de Faraday, soit :
Dans laquelle : est l'amplitude de la force électromagnétique en volts ; est le flux magnétique dans le circuit exprimé en webers..
Faraday, avec ses bobines enroulées autour d'un anneau de fer, crée en fait le premier transformateur toroïdal., mais n'en envisage pas les applications pratiques...
Bobines d'induction
Entre les années 1830 et 1870, les progrès dans le domaine, surtout réalisés par tâtonnement, fournissent les bases de la compréhension des futurs transformateurs.
En 1836, le travail sur les bobines d'induction est poursuivi par le révérend Nicholas Callan du Maynooth College en Irlande. Il est l'un des premiers à comprendre que le nombre de tours de la bobine secondaire et du primaire influait 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 ., cité dans , voir aussi ...
Dans les années 1870, des générateurs électriques en courant alternatif apparaissent. On se rend compte qu'en les utilisant dans une bobine d'induction, le système d'ouverture du circuit devient inutile.
En 1876, l'ingénieur russe Paul Jablochkoff 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 deux bobines d'induction est fondamentalement un transformateur.
En 1878, la société hongroise Ganz commence la fabrication d'équipements électriques destinés à l'éclairage, et en 1883, elle a déjà installé plus de en Autriche-Hongrie.
Ces systèmes utilisent exclusivement le courant alternatif et sont constitués de lampes à arc et de lampes incandescentes alimentées par des générateurs électriques..
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. Des transformateurs à circuit ouvert avec un rapport proche de 1:1 ont alors leurs primaires branchés en série avec la source de tension et leurs secondaires 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.
C'est dans les années 1880 qu'apparaissent les premiers transformateurs possédant un bon rendement et pouvant trouver une vraie application. Leur usage permet la victoire du courant alternatif sur le courant continu dans les réseaux électriques..
En 1882, le premier système à circuit magnétique en fer est exposé par Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs à Londres. 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 et les bobines d'induction avec un circuit magnétique ouvert sont peu efficaces pour le transfert de puissance électrique.
Transformateur à circuit fermé thumb|left|upright|Transformateur cuirassé, conçu par Uppenborn suivant les brevets de 1885 des ingénieurs Ganz. thumb|upright|Transformateur à colonne de 1885. Plus vieil exemplaire du transformateur moderne de l'usine Ganz. thumb|upright|Transformateur de Stanley de 1886 avec un entrefer ajustable..
À l'automne 1884, Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy et Miksa Déri, trois ingénieurs associés à la société Ganz, sont venus à la conclusion que les circuits magnétiques ouverts ne sont pas la solution pour les usages pratiques et pour réguler la tension. Dans leur brevet de 1885, ils décrivent deux nouveaux types de transformateurs à circuit magnétique fermé. Dans le premier cas, les bobines de cuivre sont autour du circuit magnétique, on parle de transformateur à colonnes ; dans le second, c'est le circuit magnétique qui est autour des bobines, transformateur cuirassé. Ces conceptions sont toujours en application de nos jours pour la construction des transformateurs....
Toujours en automne 1884, la société Ganz réalise le premier transformateur à haut rendement et le livre le .. Il possède les caractéristiques suivantes : , , , , soit un rapport 1,67:1, monophasé et cuirassé.
Dans les deux conceptions proposées, le flux magnétique circule du primaire au secondaire quasiment intégralement dans le circuit magnétique. Seule une très petite partie passe par l'air, c'est ce qu'on appelle le flux de fuite.
Les nouveaux transformateurs sont plus efficaces que celui à circuits magnétiques ouverts de Gaulard et Gibbs.. Leur brevet contient deux autres innovations majeures : l'une concerne la connexion en parallèle des charges, en lieu et place des connexions série, l'autre imagine la possibilité de construire des transformateurs avec de nombreux tours de bobines permettant d'avoir une tension de transport de l'électricité différente de celle d'utilisation. Typiquement, une valeur de à est prévue pour le transport et pour l'usage...
L'usage en parallèle de ces nouveaux transformateurs dans le réseau de distribution rend possible la fourniture d'électricité sur un plan technique et économique... Bláthy suggère l'usage d'un circuit magnétique fermé, Zipernowsky l'usage de connexions en parallèle, Déri fait les expériences..
Ils popularisent également l'usage du mot « transformateur »., même si le terme est déjà en usage en 1882..
En 1886, la société Ganz fournit l'équipement du premier poste électrique en courant alternatif connecté en parallèle, la fourniture d'électricité est assurée par un générateur électrique à vapeur de Rome-Cerchi..
Même si George Westinghouse a acquis les brevets de Gaulard et Gibbs en 1885, c'est la société Edison Electric Light Company qui obtient la licence pour la construction des transformateurs « Ganz » aux États-Unis. Westinghouse se trouve donc obligé d'utiliser une conception différente pour fabriquer ses transformateurs. Il confie la conception de ces nouveaux modèles à William Stanley.. Le premier brevet sur les transformateurs déposé par Stanley présente une construction avec un circuit magnétique en fer doux avec un entrefer ajustable permettant de réguler la tension au secondaire. Cette technologie est tout d'abord vendue aux États-Unis en 1886... Westinghouse veut améliorer le concept afin de le rendre plus simple à produire et donc moins cher.
Cela amène à l'émergence d'un nouveau modèle dans lequel le noyau magnétique est constitué de fines tôles séparées entre elles par des feuilles de papier ou d'autres matériaux isolants. Les bobines sont ensuite glissées autour des colonnes avant de refermer le circuit avec les tôles horizontales. Ce nouveau modèle est déposé au bureau des brevets en par Stanley et définitivement breveté en .. thumb|upright|Transformateur de distribution sec.|alt=Un noyau magnétique bleu et trois bobines autour de celui-ci. Le tout est apparent. Le transformateur isolé et refroidi à l'huile est inventé aux environs de 1912. Cela permet de construire des transformateurs de puissances plus élevées. Son principal défaut est son inflammabilité. L'usage des PCB permet de contourner cet inconvénient mais leur toxicité a toutefois conduit à leur interdiction en 1987. Les transformateurs de type sec utilisant une isolation à base de résine sont inventés en 1965...
Autres précurseurs En 1889, le russe Mikhaïl Dolivo-Dobrovolski construit le premier transformateur triphasé chez AEG, une société allemande..
En 1891, Nikola Tesla crée la bobine qui porte désormais son nom. Il s'agit d'une bobine sans noyau magnétique qui fonctionne en résonance à haute fréquence et produit de très hautes tensions...
Fonctionnement du transformateur monophasé Transformateur parfait ou idéal Équations de base upright|thumb|Transformateur monophasé idéal. C'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 secondaires sur le nombre de spires primaires détermine totalement le rapport de transformation du transformateur, noté . Exemple : pour un transformateur dont le primaire comporte alimenté par une tension sinusoïdale U1 de de tension efficace, le secondaire qui comporte présentera à ses bornes une tension sinusoïdale U2 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 est dans le rapport inverse soit près de plus importante que celle circulant dans le primaire.
De l'égalité des puissances apparentes : , soit : , on en déduit : ..
La puissance apparente maximale d'un transformateur est exprimée en VA.
Adaptation d'impédance Les rapports des tensions et des courants étant modifiés entre le primaire et le secondaire, une impédance placée au primaire ne sera pas perçue avec sa valeur initiale au secondaire.
On a l'équation. :
où : : impédance vue du primaire ; : impédance du secondaire ; : nombre de spires du primaire ; : nombre de spires du secondaire.
Symbole thumb|upright=0.5|Symbole d'un transformateur.|alt=symbole d'un transformateur. Le symbole du transformateur à noyau de fer correspond à deux bobines séparées par deux lignes verticales qui symbolisent le circuit magnétique. Il représente assez simplement sa construction physique ainsi que son rôle de couplage.
Les pertes de puissance d'un transformateur Schéma équivalent d'un transformateur réel