Comprendre l'inductance de fuite

1, qu'est-ce que l'inductance de fuite ?

L'inductance de fuite est un composant inductif présent dans un transformateur qui résulte de la liaison magnétique imparfaite d'un enroulement à un autre.

Tout flux magnétique qui ne relie pas l'enroulement primaire à l'enroulement secondaire agit comme une impédance inductive en série avec le primaire, c'est pourquoi cette « inductance de fuite » est représentée sur un diagramme schématique comme une inductance supplémentaire avant le primaire d'un transformateur idéal.

Dans certaines applications, telles que les alimentations à découpage et les ballasts d'éclairage, l'inductance de fuite du transformateur peut jouer un rôle critique dans la conception du produit. Pour cette raison, une mesure précise de l’inductance de fuite constitue souvent une fonction de test importante pour les fabricants de transformateurs.

Afin d'éviter toute confusion avec d'autres caractéristiques du transformateur, cette note technique ne fera pas référence à d'autres composants de perte tels que la résistance des enroulements ou la capacité entre enroulements.

Transformateur idéal

Pour un transformateur théorique idéal, il n’y a aucune perte. Les tensions sont transformées dans le rapport direct des spires ; courants en rapport inverse des spires (figure 1).

Véritable transformateur

Dans un transformateur réel, une partie du flux dans le primaire peut ne pas relier l'enroulement secondaire.

Ce flux de « fuite » ne participe pas à l'action du transformateur et peut être représenté comme une impédance inductive supplémentaire en série avec l'enroulement primaire (figure 2).

Véritable transformateur plus un entrefer

Dans certaines conceptions de transformateur, l'inductance de fuite doit représenter une proportion plus grande de l'inductance totale et est spécifiée dans une tolérance étroite.

La proportion accrue d'inductance de fuite est généralement obtenue en introduisant un entrefer dans la conception du noyau, réduisant ainsi la perméabilité du noyau et donc la valeur de l'inductance primaire.

Le rapport du flux qui ne relie pas l'enroulement primaire à l'enroulement secondaire va donc augmenter par rapport au flux qui relie les deux enroulements (figure 3).

2, Pourquoi la mesure de l'inductance de fuite est-elle importante ?

L'inductance de fuite (LL) peut être indésirable dans un composant enroulé, auquel cas il est important de mesurer la valeur pour montrer qu'elle est faible ou, dans certaines applications, telles que les ballasts d'éclairage électroniques et les convertisseurs de puissance résonants, l'inductance de fuite est délibérément introduite et sa valeur fait partie intégrante de la conception du circuit.

Dans ces applications, l'inductance de fuite fournit un support de stockage d'énergie essentiel au bon fonctionnement du produit fini.

Il est donc important que la valeur de l'inductance de fuite du transformateur soit comprise dans les limites spécifiées.

3, Comment l'inductance de fuite est-elle mesurée ?

Lorsqu'un compteur LCR est connecté à l'enroulement primaire d'un transformateur avec des bornes secondaires en circuit ouvert (figure 4), la valeur de l'inductance (L) comprend l'inductance primaire (LP) plus l'inductance de fuite (LL).

Puisque LL est une fonction au sein du transformateur, il n’est clairement pas possible de mesurer directement sa valeur.
Il faut donc utiliser une méthode pour soustraire la valeur de LP de l'inductance totale mesurée.
Ceci est réalisé en appliquant un court-circuit entre les bornes secondaires (figure 5).

Un court-circuit parfait entraînera zéro volt aux bornes de sortie (figure 6) et, grâce à l'action du transformateur, zéro volt apparaîtra également aux bornes de l'inductance primaire.

La valeur mesurée de l'inductance aux bornes primaires sera donc la véritable inductance de fuite (LL).

Malheureusement, réaliser un court-circuit parfait au secondaire d’un transformateur est difficile en laboratoire et totalement peu pratique dans un environnement de production.

En production, il est courant que le court-circuit soit appliqué manuellement ou via un relais commutable.
Dans ces conditions, un court-circuit parfait ne peut être réalisé, et il s'ensuit que la tension secondaire ne sera pas véritablement nulle.

La tension attribuable au court-circuit imparfait apparaîtra alors aux bornes de l'inductance primaire sous la forme d'une erreur de court-circuit multipliée par le rapport de spires (figure 7).

Ls/c se reflète dans le primaire sous la forme N ² Ls/c car, dans tout enroulement, L est proportionnel au nombre de tours au carré (L α N ² ).

Ainsi, Ls/c se reflète en fonction de :

( Np / Ns ) ^ 2 = ( Lp / Ls )

La valeur mesurée de l'inductance primaire peut être considérée vectoriellement comme la somme de l'impédance de fuite plus l'impédance réfléchie de l'erreur de court-circuit. Ceci est illustré à la figure 8.

4, La solution traditionnelle

Afin d'obtenir la valeur réelle de l'inductance de fuite, les ingénieurs appliqueront soigneusement un court-circuit soudé au secondaire du transformateur à tester et mesureront la valeur de l'inductance sur le primaire.
Cette valeur d'inductance sera enregistrée comme la « vraie » inductance de fuite (par exemple 150 μH).

L'inductance sera ensuite mesurée sur le même transformateur après remplacement du court-circuit soudé par une pince de court-circuit ou un luminaire avec court-circuit actionné par relais, selon la technique qui sera choisie pour la production.
L'inductance mesurée est à nouveau enregistrée (par exemple 180 µH).

Cette valeur sera bien entendu supérieure à l'originale car elle inclut la véritable inductance de fuite plus l'inductance d'erreur de court-circuit.

La différence entre ces deux valeurs (dans notre exemple 30 μH) est ensuite utilisée dans les tests de production comme décalage fixe programmé dans un compteur LCR de production pour obtenir une approximation de la valeur correcte en présence d'un court-circuit imparfait.

En pratique, il est impossible de réaliser un court-circuit basé sur un relais ou manuel qui produit exactement la même erreur de court-circuit à chaque fois.

Cette non-répétabilité de l'erreur de court-circuit est telle que le décalage fixe ne peut pas fournir à un service de production des résultats précis et reproductibles.

Ceci est illustré dans le tableau suivant :

5, La solution Voltech

Voltech a développé ses testeurs de la série AT avec une architecture et une capacité de traitement permettant de supprimer l'erreur de court-circuit de la mesure de l'inductance primaire lors de chaque test.

Une version simplifiée de ce processus est présentée ci-dessous.

Tout d'abord, dans le cadre du test LL, une mesure silencieuse est effectuée du rapport de giration de la pièce testée.
Ceci est effectué à environ 1 Volt et à la même fréquence que le test LL programmé.

La tension au secondaire est également mesurée lorsque le secondaire est en circuit ouvert.
Cela nous donne Vopen sur le graphique ci-dessus

Deuxièmement, avec le court-circuit (non idéal) appliqué au secondaire, la tension et le courant sont également mesurés.
Cela nous donne le point V1/I1 sur le graphique.

Ces deux points sont ensuite extrapolés (sur la ligne V/I linéaire supposée) et calculés jusqu'à l'endroit où V=0 pour donner Ishort.
Il s'agit du flux de courant attendu dans le secondaire dans des conditions de court-circuit idéales, c'est-à-dire lorsque le court-circuit est parfait et qu'il n'y a pas de chute de tension aux bornes du secondaire.

Cette valeur Ishort combinée au résultat TR silencieux précédent peut être utilisée pour calculer l'effet de courant correspondant du côté primaire, et donc supprimée du résultat LL mesuré sur le primaire.

Il s'agit d'une version simplifiée de la technique.
En réalité, les mesures sont une combinaison de mesures réelles et imaginaires, la technique est donc représentée vectoriellement ci-dessous

À partir du diagramme vectoriel primaire, on peut voir que chaque mesure est la somme de la tension attribuable à l'inductance de fuite plus la tension d'erreur provenant du court-circuit secondaire.

Avant d'appliquer un court-circuit, les testeurs Voltech de la série AT mesurent le rapport de spires primaire/secondaire.
Les testeurs appliquent ensuite automatiquement un court-circuit, à l'aide d'une matrice de relais interne, et mesurent la tension de court-circuit au niveau des broches secondaires du transformateur.
Le vecteur de cette tension de court-circuit est automatiquement multiplié par le rapport de transformation, produisant un « vecteur d'erreur » égal à la tension d'erreur de court-circuit reflétée dans la mesure primaire.
L'inductance de fuite est ensuite calculée à partir de la valeur totale de l'inductance primaire moins le vecteur d'erreur primaire qui a été calculé.

Ce processus permet aux testeurs Voltech de la série AT de fournir la véritable valeur d'inductance de fuite, quelle que soit la variabilité des courts-circuits.

6, conclusion sur l'inductance de fuite

L'inductance de fuite est une caractéristique critique du transformateur qui présente un défi de mesure particulier pour les ingénieurs de conception et de test de production.

En examinant les facteurs affectant l'intégrité des mesures et en développant des techniques de mesure innovantes pour surmonter ces facteurs, Voltech propose une solution unique à un problème de variabilité des mesures auquel sont confrontés presque tous les fabricants de transformateurs.

Si vous avez des questions sur l'une des autres fonctions de test disponibles pour les testeurs de transformateurs Voltech série AT, n'hésitez pas à nous contacter.

7, voir aussi