Les bases des transformateurs
Ce document explique la théorie de base et le fonctionnement des transformateurs
MIS À JOUR LE 29 AOÛT 2024
1. Introduction aux transformateurs
Les transformateurs sont des composants essentiels des systèmes électriques et électroniques.
Assurer l'isolation électrique et réaliser la tâche vitale de transformation des tensions et du courant. Même si le processus de conception peut parfois être considéré comme un « art », leur construction et leur fonctionnalité sont basées sur des principes physiques fondamentaux.
Cet article aborde les bases de la théorie, du fonctionnement et des performances des transformateurs, offrant un aperçu de leurs principales caractéristiques et considérations pratiques.
2. Théorie de base des transformateurs
Les transformateurs assurent l'isolation électrique entre les circuits, ce qui est essentiel pour la sécurité et la fonctionnalité dans différentes applications.
Un transformateur est constitué d'un noyau magnétique autour duquel sont enroulées des bobines primaires et secondaires.
Lorsqu'une tension alternative est appliquée à la bobine primaire, elle génère un courant alternatif qui correspond au flux magnétique alternatif dans le noyau.
Ce flux induit une tension dans la bobine secondaire et primaire, d'où la loi d'induction de Faraday en action.
La figure ci-dessus représente les éléments essentiels d'un transformateur : un noyau magnétique avec une bobine primaire et secondaire enroulées sur les membres du noyau magnétique.
Une tension alternative (Vp) appliquée au primaire crée un courant alternatif (Ip) à travers le primaire.
Ce courant produit un flux magnétique alternatif dans le noyau magnétique.
Ce flux magnétique alternatif induit une tension dans chaque spire du primaire et dans chaque spire du secondaire.
Comme le flux est une constante, c'est-à-dire le même dans le primaire et le secondaire :
Cette équation montre qu'un transformateur peut être utilisé pour augmenter ou diminuer une tension alternative en contrôlant le rapport entre les tours primaires et secondaires. (Action du transformateur de tension).
On peut également démontrer que :
Volt-ampères primaires = Volt-ampères secondaires
Cette équation montre qu'un transformateur peut être utilisé pour augmenter ou diminuer un courant alternatif en contrôlant le rapport entre les tours primaires et secondaires.
(Action du transformateur de courant)
Il est à noter qu’il n’y a pas de connexion électrique entre les enroulements primaires et secondaires.
Un transformateur permet donc d’isoler un circuit électrique d’un autre.
Ces caractéristiques - transformation tension/courant et isolation - ne peuvent être obtenues efficacement par aucun autre moyen, ce qui fait que les transformateurs sont utilisés dans presque tous les équipements électriques et électroniques du monde.
3. Courbes BH
Les propriétés magnétiques du matériau du noyau influencent grandement les performances d'un transformateur. Lorsque la bobine primaire du transformateur est alimentée, le courant magnétisant crée une force magnétisante (H), qui génère un flux magnétique (B) dans le noyau. Cette relation entre B et H est représentée par la courbe BH du matériau.
La force magnétisante (H) est égale au produit du courant magnétisant par le nombre de tours, et s'exprime en Ampère - Tours.
Les courbes BH illustrent la densité de flux en fonction de la force magnétisante, ce qui signifie que lorsque (H) augmente, (B) augmente jusqu'à ce que le matériau du noyau soit saturé.
À saturation, d'autres augmentations de (H) n'augmentent pas significativement (B) et c'est la raison pour laquelle la conception de transformateurs pour fonctionner en dessous du point de saturation est cruciale pour garantir des performances efficaces.
À partir de la courbe BH, on peut voir que, lorsque la force magnétisante augmente à partir de zéro, le flux augmente jusqu'à une certaine valeur maximale de flux.
Au-delà de ce niveau, toute augmentation supplémentaire de la force de magnétisation n'entraîne pas d'augmentation significative du flux. Le matériau magnétique est alors dit « saturé ».
Un transformateur est normalement conçu pour garantir que la densité du flux magnétique est inférieure au niveau qui provoquerait une saturation.
La densité de flux peut être déterminée à l'aide de l'équation suivante :
Où:
E représente la valeur RMS de la tension appliquée.
N représente le nombre de tours de l'enroulement.
B représente la valeur maximale de la densité de flux magnétique dans le noyau (Tesla).
A représente la section transversale du matériau magnétique dans le noyau (mètres carrés).
f représente la fréquence des volts appliqués.
Note
1 Tesla = 1 Weber/mètre²
1 Weber/m² = 10 000 Gauss
1 Ampère-tour par mètre = 4 px 10-3 Oersteds
En pratique, tous les matériaux magnétiques, une fois magnétisés, conservent une partie de leur aimantation même lorsque la force magnétisante est réduite à zéro.
Cet effet est connu sous le nom de « rémanence » et se traduit par une courbe BH du matériau présentant une réponse à une force magnétisante décroissante qui est différente de la réponse à une force magnétisante croissante.
En pratique, les matériaux magnétiques réels ont une courbe BH comme suit :
La courbe présentée ci-dessus est appelée boucle « d'hystérésis » du matériau et représente la véritable réponse BH du matériau. (La première courbe BH représentait la moyenne de la véritable réponse de la boucle BH).
La pente de la courbe BH, le niveau de saturation et la taille de la boucle d'hystérésis dépendent du type de matériau utilisé et d'autres facteurs.
Ceci est illustré à l'aide des exemples suivants :
 | Noyau de fer de faible qualité Densité de flux à saturation élevée Grande boucle = grande perte par hystérésis Convient pour 50/60 Hz |
 | Noyau de fer de haute qualité Densité de flux à saturation élevée Boucle moyenne = perte par hystérésis moyenne Convient aux transformateurs 400 Hz |
 | Noyau de ferrite - sans entrefer Densité de flux à saturation moyenne Petite boucle = petite perte par hystérésis Convient aux transformateurs haute fréquence |
 | Noyau de ferrite - grand entrefer Petite boucle = petite perte par hystérésis Convient aux inducteurs haute fréquence avec un courant continu important |
4. Perte par hystérésis
La courbe BH présente un phénomène appelé hystérésis.
Il s’agit d’un phénomène dans lequel la magnétisation du matériau du noyau est en retard par rapport à la force de magnétisation – les pertes d’énergie résultant de cet événement sont connues sous le nom de perte par hystérésis.
Les matériaux avec des boucles d’hystérésis plus grandes entraînent des pertes plus élevées.
Cette perte est représentée par la zone enfermée dans la boucle d’hystérésis BH.
Par conséquent, les noyaux des transformateurs sont conçus avec des matériaux présentant une faible perte par hystérésis pour améliorer l'efficacité.
5. Perte par courant de Foucault
Les courants de Foucault (également appelés courants de Foucault) sont des boucles de courant électrique induites dans le matériau du noyau par le flux magnétique alternatif.
Les courants créent une perte résistive qui conduit à un échauffement du noyau connu sous le nom de perte par courants de Foucault car ils ressemblent à des tourbillons ou à des tourbillons.
Pour minimiser les pertes, les noyaux des transformateurs sont fabriqués à partir de feuilles laminées ou de matériaux en ferrite, qui limitent les chemins de ces courants.
6. Circuit équivalent au transformateur
Un transformateur idéal avec un enroulement primaire et deux enroulements secondaires peut être représenté comme indiqué ci-dessous
Un tel transformateur présente les caractéristiques suivantes :
- Aucune perte
- Couplage parfait entre tous les enroulements
- Impédance en circuit ouvert infinie (c'est-à-dire aucun courant d'entrée lorsque les secondaires sont en circuit ouvert).
- Isolation infinie entre les enroulements
Dans la pratique, les transformateurs diffèrent du modèle idéal en raison de diverses caractéristiques non idéales. Les circuits équivalents des transformateurs intègrent les aspects suivants :
- Résistances des enroulements
- Capacités
- Pertes de noyau
- Inductance magnétisante
- Inductances de fuite
Ces variables aident à prévoir les performances du transformateur et les écarts par rapport au modèle idéal.
Bon nombre de ces caractéristiques peuvent être représentées par un circuit équivalent à un transformateur :
Où:
R1, R2, R3 représentent la résistance du fil d'enroulement.
C1, C2, C3 représentent la capacité entre les enroulements.
Rp représente les pertes dues aux courants de Foucault et aux pertes par hystérésis. Il s'agit des pertes de puissance réelles, parfois appelées pertes de noyau, qui peuvent être mesurées en effectuant une mesure de puissance en circuit ouvert. Comme il n'y a pas de courant de charge, il y a très peu de pertes de cuivre I 2 R dans l'enroulement sous tension, et les watts mesurés à vide sont presque tous dus au noyau.
Lp représente l'impédance due au courant magnétisant. Il s'agit du courant qui génère la force magnétisante, H, utilisée dans les diagrammes de boucle BH. Notez que ce courant peut ne pas être une simple onde sinusoïdale, mais peut avoir une forme déformée et pointue, si le transformateur fonctionne dans la région non linéaire de la courbe BH. C'est généralement le cas pour les transformateurs de type stratifié à fréquence de ligne.
L1, L2, L3 représentent l'inductance de fuite de chacun des enroulements. (Ce point est abordé en détail dans la note Voltech 104-105, « Inductance de fuite ».)
7. Conclusions
Le circuit équivalent d'un transformateur reflète les propriétés réelles du circuit magnétique comprenant le noyau et les enroulements.
Le circuit équivalent peut donc être utilisé en toute confiance pour comprendre et prédire les performances électriques du transformateur dans diverses situations.
La compréhension des principes de base et des considérations pratiques du fonctionnement des transformateurs permet aux ingénieurs de concevoir, de tester et d’appliquer efficacement des transformateurs dans diverses applications.
8. Lectures complémentaires
La compréhension du circuit équivalent d'un transformateur permet aux ingénieurs d'analyser et de prévoir ses performances électriques dans diverses conditions de fonctionnement. Elle permet également d'optimiser les processus de conception et de test, garantissant ainsi que les transformateurs répondent aux normes de qualité et d'efficacité.
D'autres notes techniques de cette série expliquent comment les paramètres de circuit équivalents sont utilisés pour dériver des tests pratiques pour les transformateurs afin de garantir leur qualité dans un environnement de fabrication.