thumb|upright=2.0|Disposition classique des enroulements autour du noyau magnétique d'un transformateur triphasé thumb|Les trois enroulements (primaire, secondaire, tertiaire) d'un transformateur découpés pour mieux en voir la constitution Un enroulement de transformateur est l'CEI 60076-1, clause 3.3.1, version 2011. En d'autre terme il s'agit d'une bobine électrique placée autour du noyau magnétique d'un transformateur.
Leur niveau de tension détermine leur nom et leur disposition. Les contraintes mécaniques, thermiques et les surtensions qu'ils doivent être capables de supporter influencent fortement leur conception. Les enroulements sont par définition un ensemble de spires, elles-mêmes constituées de conducteurs. Les spires doivent être isolées diélectriquement entre elles. Les conducteurs, quant à eux, doivent avoir une bonne conductivité électrique et être suffisamment rigides pour répondre aux contraintes mécaniques. La configuration des conducteurs influence le comportement de l'enroulement en cas de surtension. Une mauvaise conception des enroulements sur le plan mécanique peut entraîner leur déformation au cours du temps.
Les enroulements de réglages, combinés aux changeurs de prise, permettent de faire varier le rapport de transformation des transformateurs. Leur conception est différente de celle des autres enroulements.
Les enroulements sont connectés entre eux de différentes façons, on parle de couplage. Chacun a des avantages et des inconvénients qui déterminent leur usage.
Désignation Traditionnellement, l'enroulement qui reçoit la puissance active de la source d'alimentation en service est appelé et celui qui délivre la puissance active à la charge . Ces termes ne permettent pas de savoir quel enroulement a la tension assignée la plus élevée et il est donc préférable de ne pas les utiliser sauf dans le contexte de la direction du flux de puissance active. Un autre enroulement du transformateur, ayant habituellement une puissance assignée inférieure à celle de l'enroulement secondaire, est alors souvent appelé « enroulement tertiaire ». Pour plus de clarté il convient d'employer les termes enroulements haute tension (HT en français, HV en anglais), moyenne tension (MT) et basse tension (BT, LV) qui ne prêtent pas à confusion, étant classés en fonction de leur niveau de tensionCEI 60076-1, clause 3.3.4, 3.3.5 et 3.3.6, version 2011. Un enroulement supplémentaire est placé dans les transformateurs munis d'un changeur de prises, il est appelé enroulement de réglage.
Principe Le rapport du nombre de spires entre primaire, secondaire et tertiaire détermine le rapport de conversion des tensions et des courants (cf Principe).
Disposition Les bobines (primaire, secondaire, tertiaire) sont enroulées de manière coaxiale autour des colonnes bobinées du noyau magnétique (voir illustration).
La principale contrainte à prendre en compte lors de la conception d'un enroulement est sa résistance au courant de court-circuit, il faut qu'il puisse évacuer la chaleur et ne casse pas sous l'effet de la contrainte mécanique. Les contraintes mécaniques croissant avec le nombre de spires, et décroissant avec le diamètre de celles-ci, on place le secondaire proche du noyau et le primaire à son extérieur afin de garder ces contraintes dans un domaine acceptable. Cette disposition limite également la demande d'isolation entre bobine et noyau magnétique, le secondaire ayant une tension inférieure au primaire. De plus, dans le cas où le transformateur possède un enroulement de réglage, celui-ci est connecté en général au primaire, cela présente de nombreux avantages : connexion plus facile, courant plus faible et pilotage à flux constant possible.
Contraintes s’appliquant aux enroulements Contraintes mécaniques
thumb|Contraintes mécaniques sur les enroulements du transformateur Le courant circulant dans les bobines, combiné aux champs magnétiques de fuite qu'elles génèrent induisent des forces de Laplace sur les enroulements. Ces forces sont proportionnelles au carré de l'intensité parcourant les enroulements. Elles sont à la fois radiales, elles écartent les enroulements les uns des autres, et axiales, elles compressent les enroulements (voir figure).
Lors d'un événement de type court-circuit, le courant devient particulièrement élevé, de 8 à 10 fois le courant nominal pour les gros transformateurs, plus pour les petits. Le courant à prendre en compte dans ce cas pour les calculs mécaniques est la valeur maximale du courant de court-circuit, sa valeur crête, correspondant au courant asymétriqueCEI 60076-5, clause 4.2.3, version 2006. Il induit une grande contrainte mécanique sur les enroulements. Cela doit être pris en considération lors de leurs dimensionnements. Les courants d'enclenchement qui apparaissent lors de la connexion d'un transformateur au réseau ont des effets similaires dans des proportions moindres, cependant leur répétition les rend non négligeables.
Contraintes thermiques Lors des courts-circuits en particulier, les contraintes sur les enroulements ne sont pas seulement mécaniques mais également thermiques. La valeur importante du courant circulant dans ce cas dans les enroulements conduit à un fort échauffement par effet Joule. La constante de temps thermique d'un enroulement étant largement supérieure aux quelques secondes que durent un court-circuit, on peut considérer que les enroulements n'ont pas le temps de se refroidir, d'évacuer la chaleur apportée. Si la chaleur induite par le court-circuit conduit à un échauffement trop important de l'enroulement celui-ci peut fondre.
Pour ces raisons, les normes prévoient le calcul du courant thermique maximum que peut tolérer un transformateur. Il correspond au courant symétriqueCEI 60076-5, clause 4.1.2, version 2006. La valeur importante dans le calcul de cette tolérance thermique est le produit , avec t la durée estimée du court-circuit. La norme CEI prévoit une durée standardisée de 2 secondesCEI 60076-5, clause 4.1.3, version 2006. Cette chaleur ne doit pas provoquer le dépassement de la température maximale autorisée pour les conducteurs qui est supérieure pour le cuivre à celle de l'aluminium ; dans le cas où l'enroulement est immergé dans l'huile, ces températures sont respectivement de 250 et CEI 60076-5, clause 4.1.4, version 2006.
Surtension thumb|upright=2.0|Schéma équivalent d'un transformateur en état transitoire et répartition de la tension dans les enroulements La foudre tombant sur les lignes ou d'autres événements comme l'ouverture ou la fermeture de disjoncteurs dans le réseau peuvent causer des surtensions aux bornes des enroulements du transformateur. Dans ce cas une modélisation du transformateur uniquement inductive, dans laquelle la tension est également répartie dans l'ensemble de l'enroulement, n'est plus possible, il est nécessaire de prendre en compte les capacités parasites qui existent entre les enroulements avec, d'une part, la terre ( ici), et de l'autre le conducteur ( ici). Si ces capacités sont du même ordre de grandeur on obtient une répartition de tension non régulière au moment de la surtension : la tension aux bornes des éléments proches de la ligne est beaucoup plus élevée que celle des éléments proches de la terre. Cela contraint fortement les enroulements proches du conducteur.
Pour limiter l'impact de ces surtensions, des parafoudres sont systématiquement placés sur les lignes menant aux transformateurs, ils permettent d'abaisser la valeur maximale de la tension apparaissant aux bornes des bobines.
La technique de bobinage a également une importance déterminante dans le comportement capacitif de ceux-ci. Diverses méthodes existent pour faire augmenter la capacité en série.
Construction Conducteurs Les enroulements sont constitués de spires, elles-mêmes constituées de conducteurs. Ils sont quasiment toujours réalisés en cuivre, bien qu'on trouve également de l'aluminium pour des raisons de coût dans les transformateurs de faible puissance. Ces matériaux sont en effet d'excellents conducteurs électriques ce qui limite les pertes cuivres. Par ailleurs, afin d'améliorer la résistance mécanique des enroulements, un alliage cuivre-argent peut être utilisé pour les réaliser. Sa conductivité est très proche de celle du cuivre pur. Cependant, sa plus grande rigidité rend le pliage des conducteurs, par exemple lors des transpositions, et donc la fabrication de l'enroulement plus difficile.
La section de la bobine dépend du courant la traversant et détermine sa forme : jusqu'à la section est ronde, au-delà rectangulaire avec un rapport 2:1. Lorsque le courant devient conséquent il devient nécessaire d'utiliser plusieurs conducteurs branchés en parallèle pour former le câble. Il est alors nécessaire de s'assurer que les branches parallèles aient bien le même comportement électrique en les transposant régulièrement. Une solution technique est par exemple le câblage Röbel (voir liens externes pour illustration). On parle également de (CTC), soit . Cette technologie permet également une meilleure utilisation de l'espace et une réduction des courants de Foucault dans les enroulements. Il pourrait être tentant d'augmenter le diamètre des conducteurs pour réduire les pertes cuivres, cependant l'augmentation des pertes par courants de Foucault excèdent généralement le gain ainsi réalisé.
Les conducteurs sont isolés diélectriquement les uns des autres par un vernis. Les tours sont quant à eux enroulés dans un isolant qui dépend de la tension entre les tours. Si celle-ci est faible, l'isolation est faible, par exemple du papier perforé , bande de polyester, et l'évacuation de la chaleur est privilégiée. On parle d'isolation sans papier. Au contraire quand elle est élevée, les tours sont embobinés dans un complément de papier. Cette isolation contient au départ une grande quantité d'humidité, ce qui est nuisible à ses propriétés diélectriques et à celle du transformateur en général. Afin de l'évacuer, les enroulements sont mis au four pendant une longue durée. De l'huile vient combler l'espace laissé par l'eau, afin d'éviter que les bobines ne redeviennent humides dès la sortie du four. On parle d'imprégnation. Si l'imprégnation n'est pas de qualité, des bulles peuvent apparaître en surface de l'enroulement quand il est mis sous tension, ce qui peut entraîner un défaut électrique.
Toujours afin d'améliorer la résistance mécanique des enroulements, les conducteurs peuvent être couverts d'époxy . Celui-ci est relativement malléable lors de la fabrication, mais durcit lors du passage au four, ce qui donne sa résistance définitive à l'enroulement.
Entretoises thumb|Canaux de refroidissement axiaux thumb|Canaux de refroidissement radiaux Les spires doivent être isolées diélectriquement entre elles. Elles doivent également être refroidies. Des entretoises, réalisées en matériau isolant, sont donc placées entre elles pour assurer la distance nécessaire et afin de créer un espace pour le passage de l'huile. Elles doivent être bien alignées pour garantir une bonne résistance mécanique axiale de l'enroulement.
Méthodes pour augmenter la résistance mécanique Pour réduire la force de court-circuit on peut diviser les enroulements primaires et secondaires en parts égales et les alterner : au lieu d'avoir Noyau-Secondaire-Primaire, on a Noyau-Secondaire1-Primaire1-Secondaire2-Primaire2. Cette solution est mise en pratique dans les transformateurs cuirassés. Toutefois la solution à une bobine par enroulement reste moins chère et a un meilleur rendement.
Une bonne symétrie du transformateur est également déterminante dans le calcul des contraintes mécaniques, un décalage même faible entre les enroulements cause une forte augmentation des contraintes mécaniques.
Afin d'améliorer la résistance mécanique des enroulements, ceux-ci sont compressés après leur montage sur le circuit magnétique. Cela augmente leur fréquence naturelle.
Refroidissement