Découvrez les pertes de noyau et de bobine dans les transformateurs.
Bien que les transformateurs présentent une haute efficacité, il est essentiel de prendre en compte certaines pertes lorsqu’on aborde la théorie des transformateurs. Ces pertes peuvent être largement catégorisées en pertes de noyau et pertes de bobine. Les pertes de noyau restent relativement constantes, originant du circuit magnétique, qui subit peu de variations avec les changements de courant du transformateur. En revanche, les pertes de bobine, également connues sous le nom de pertes I2R, sont influencées par les courants; à mesure que les courants changent, les pertes de bobine changent également.
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Pertes de Noyau
Les pertes de noyau se divisent en deux catégories : les pertes par courants de Foucault et les pertes par hystérésis.
Pertes par Hystérésis
Lorsqu’aucun courant secondaire ne circule, le courant traversant l’enroulement primaire du transformateur crée un flux magnétique, qui induit la tension dans l’enroulement secondaire. Ce courant primaire est appelé le courant d’excitation et est plutôt faible en raison de la grande force électromotrice contre-électro-motrice (CEMF) de l’enroulement primaire. Parce qu’un transformateur est un dispositif qui transfère de l’énergie par le flux magnétique, concentrer le flux améliore l’efficacité du transformateur.
Le flux magnétique de l’enroulement primaire est enroulé autour d’un matériau en fer ou en acier appelé le noyau pour concentrer le flux magnétique. Le matériau du noyau magnétique fournit un meilleur chemin pour le flux que l’air libre. Le noyau ne transfère pas tout le flux vers la bobine secondaire. Une partie du flux sera perdue à cause de l’hystérésis, qui est la tendance d’un matériau à résister aux changements rapides de polarité magnétique. Parce que les transformateurs sont alimentés par une tension alternative, le champ magnétique de la bobine primaire change de polarité 60 fois par seconde. Tout le matériau de base ne peut pas changer de polarité rapidement, de sorte que le flux est quelque peu affaibli. Un acier à haute teneur en silicium spécial est utilisé dans le matériau du noyau pour minimiser les pertes par hystérésis.
Pertes par Courants de Foucault
En raison du mouvement relatif du champ magnétique et du matériau de base à cause de la tension d’alimentation CA, une tension est également induite dans le matériau du noyau, ce qui peut provoquer des courants dans le noyau. Ceux-ci sont appelés courants de Foucault et sont alimentés par le courant d’excitation. Les courants de Foucault créent un échauffement dans le noyau, ce qui entraîne des pertes. La minimisation des courants de Foucault est réalisée en construisant le noyau de nombreuses fines feuilles d’acier appelées laminations. Les lamines individuelles sont isolées les unes des autres, de sorte que le courant ne peut pas traverser l’ensemble du noyau, mais seulement dans chaque fine lamination. Le flux total de courant et l’échauffement associé sont ainsi réduits.
La figure 1 montre comment un noyau stratifié dans un transformateur atténue les pertes d’énergie causées par les courants de Foucault. Le courant alternatif dans l’enroulement du transformateur génère un champ magnétique alternatif (représenté par des flèches vertes) à l’intérieur du noyau en acier. Comme le noyau possède une conductivité électrique, ce champ induit des boucles de courant électrique (représentées par des lignes rouges), connues sous le nom de courants de Foucault. Ces courants circulent dans des plans perpendiculaires au champ magnétique et, lorsqu’ils traversent la résistance du noyau, entraînent une dissipation d’énergie sous forme de chaleur, conduisant à des pertes de puissance. De nombreux transformateurs utilisent un noyau laminé (à droite) au lieu d’un noyau solide (à gauche) pour résoudre ce problème. Le noyau laminé est constitué de fines laminations d’acier empilées, chacune étant enduite d’un matériau non conducteur. Cette construction empêche les courants de Foucault de traverser entre les laminations, les confinant à circuler dans l’épaisseur de chaque lamination. Comme l’amplitude du courant est directement proportionnelle à la surface de la boucle incluse, cette configuration réduit considérablement les courants de Foucault et minimise les pertes d’énergie dans le noyau.
Figure 1. Noyau de transformateur laminé pour réduire les courants de Foucault. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
Les pertes associées au noyau du transformateur sont magnétiques et restent relativement constantes. L’impact de l’hystérésis et des courants de Foucault reste largement inchangé avec les variations de débit de courant, car ils sont inhérents à la conception et au matériau du noyau.
Pertes de Bobine
Un transformateur fonctionne de manière similaire à tout circuit ou appareil électrique. Lorsque le courant électrique le traverse, il génère un champ magnétique et de la chaleur. Cette chaleur, connue sous le nom de perte de bobine ou perte de cuivre, est quantifiée à l’aide de la formule I2R. L’aspect crucial est que la perte de bobine est liée au courant traversant le transformateur. Pour atténuer cette perte de chaleur, les transformateurs utilisent souvent des conducteurs en cuivre pour l’enroulement, compte tenu de leur résistance plus faible par rapport aux conducteurs en aluminium de taille équivalente. De nouveaux matériaux supraconducteurs peuvent être utilisés pour réduire encore davantage les pertes de chauffage. Dissiper la chaleur réduira également la résistance des bobines, car la résistance d’un matériau augmente avec la température.
Pertes de Lien de Flux
Peu importe comment nous positionnons les bobines du transformateur ou construisons le noyau, un certain flux magnétique sera produit par le courant d’excitation de l’enroulement primaire, qui ne traversera pas toutes les bobines. Cela est connu sous le nom de fuite de flux.
Le flux primaire crée une CEMF pour le primaire mais ne peut pas traverser tous les tours de l’enroulement. Cela diminue la CEMF et augmente le courant d’excitation primaire. En conséquence, plus de tension devrait être induite dans l’enroulement secondaire, mais tous les flux ne traversant pas les tours de l’enroulement secondaire, la tension secondaire n’augmente pas. L’augmentation du courant d’excitation primaire est perdue car le flux supplémentaire ne peut pas être utilisé.
Le même problème existe avec l’enroulement secondaire. Lorsque le courant secondaire circule, tous les flux de l’enroulement secondaire ne peuvent pas affaiblir le flux primaire en raison de la fuite de flux de l’enroulement secondaire. Avec moins d’opposition à la CEMF primaire, moins de courant primaire peut circuler pour créer le flux nécessaire pour maintenir la tension secondaire constante. À mesure que les courants des transformateurs augmentent, cette fuite de flux peut entraîner des tensions secondaires plus faibles.
Baisse de Tension Secondaire
Les tensions secondaires plus faibles sont également le résultat de la baisse de tension normale à travers l’enroulement secondaire. Lorsque le courant circule dans l’enroulement primaire ou secondaire du transformateur, il y a une certaine baisse de tension à travers la bobine. Le montant de cette baisse de tension dépend de la circulation du courant et de la résistance du conducteur. Selon la loi d’Ohm, la chute de tension est le produit de la circulation du courant et de la résistance du conducteur.
La résistance dans l’enroulement primaire d’un transformateur est petite par rapport à la tension appliquée. Les résistances peuvent être seulement de dixièmes d’ohm ; si la tension d’alimentation primaire est élevée, le courant primaire est faible et la chute de tension globale est minimale. Si l’enroulement secondaire a moins de tours, la tension secondaire est plus faible et le courant secondaire sera plus élevé. Bien que la résistance de l’enroulement secondaire soit plus faible si un fil plus grand est utilisé pour transporter le courant accru, la chute de tension globale à travers la bobine secondaire peut être un pourcentage suffisant de la tension totale. Cela peut entraîner une tension de sortie trop basse pour le bon fonctionnement de la charge.
Par exemple, supposons qu’un enroulement primaire alimenté par 500 V a une résistance effective de 0,1 ohm. L’enroulement secondaire du même transformateur a une tension induite de 100 V et la résistance effective est de 0,02 ohm. Si un courant de 50 ampères circule dans l’enroulement primaire, la chute de tension (ampères x ohms) sera de 5 V—ou 1 % de la tension d’alimentation. Le courant dans la bobine secondaire doit être de 250 ampères si la puissance d’entrée doit être égale à la puissance de sortie. La chute de tension de l’enroulement secondaire sera de 0,02 ohm x 250 ampères—ou 5 V, soit 5 % de la tension induite. Par conséquent, la tension secondaire réelle ne sera que de 95 V. L’effet de cette chute de tension dans l’enroulement secondaire est plus important à mesure que les courants augmentent. Si nous mesurons la tension réelle de l’enroulement secondaire sans courant et avec le courant nominal maximum circulant, le changement de tension est la régulation de la tension en pourcentage du transformateur.
\[Régulation\, de\, Tension\, en\, Pourcentage=\frac{Vs(Sans\,Charge)- Vs(Pleine\,Charge)}{Vs(Pleine\,Charge)}\times100\]
Voici un exemple de calcul : La tension secondaire d’un transformateur passe de 126 V sans charge à 119 V en pleine charge. Quel est le pourcentage de régulation de tension de ce transformateur ?
\[Régulation\, de\, Tension\, en\, Pourcentage=\frac{126V-119V}{119V}\times100=0.055\times100=5.5\%\]
Pour compenser cette baisse de tension secondaire, le transformateur aura des tours supplémentaires sur l’enroulement secondaire, augmentant la tension induite. Bien que l’enroulement secondaire du transformateur ait une certaine baisse de tension, le transformateur produira tout de même la pleine tension secondaire à plein courant nominal. En raison des tours supplémentaires, la tension du transformateur sera plus élevée, avec peu ou pas de charge, qu’au moment où l’enroulement secondaire transporte son courant de charge pleine. Cela est particulièrement vrai pour les transformateurs de petite capacité.
Complexités des Pertes
Comprendre et aborder les pertes est crucial pour maintenir la fiabilité et l’efficacité des transformateurs. Les distinctions entre les pertes de noyau, attribuées à l’hystérésis et aux courants de Foucault, et les pertes de bobine dues à la circulation du courant soulignent la nécessité d’une conception minutieuse et d’une sélection rigoureuse des matériaux pour minimiser la génération de chaleur. Des facteurs tels que les pertes de lien de flux et la baisse de tension secondaire soulignent encore les complexités de l’optimisation des performances des transformateurs. En atténuant ces pertes, les ingénieurs concepteurs peuvent améliorer l’efficacité des transformateurs, réduire le gaspillage énergétique et assurer la longévité.