Les bases des transformateurs
Ce document explique la théorie de base et le fonctionnement des transformateurs
1. Introduction aux transformateurs
La conception et les tests des transformateurs sont parfois considérés comme un art plutôt que comme une science.
Les transformateurs sont des dispositifs imparfaits et il existe des différences entre les valeurs de conception d'un transformateur, ses mesures de test et ses performances réelles dans un circuit.
En revenant aux bases, cette note technique aidera les ingénieurs de conception et de test à comprendre comment les caractéristiques électriques d'un transformateur sont le résultat des propriétés physiques du noyau et des enroulements.
2. Théorie de base du transformateur
La figure ci-dessus représente les éléments essentiels d'un transformateur : un noyau magnétique avec une bobine primaire et secondaire enroulée sur les branches 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 à chaque tour du primaire et à chaque tour du secondaire.
Comme le flux est constant, c'est à dire le même au primaire et au secondaire :
Cette équation montre qu'un transformateur peut être utilisé pour augmenter ou diminuer une tension alternative en contrôlant le rapport entre les spires primaires et secondaires. (Action du transformateur de tension).
On peut également montrer 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 spires primaires et secondaires. (Action du transformateur de courant)
On notera qu'il n'y a pas de connexion électrique entre les enroulements primaire et secondaire.
Un transformateur fournit donc un moyen d’isoler un circuit électrique d’un autre.
Ces caractéristiques - transformation et isolation tension/courant - ne peuvent être obtenues efficacement par aucun autre moyen, de sorte que les transformateurs sont utilisés dans presque tous les équipements électriques et électroniques dans le monde.
3. Courbes BH
Lorsque le primaire d'un transformateur est sous tension avec le secondaire déchargé, un petit courant circule dans le primaire. Ce courant crée une « force magnétisante » qui produit le flux magnétique dans le noyau du transformateur.
La force magnétisante (H) est égale au produit du courant magnétisant et du nombre de tours, et est exprimée en Ampère - Tours.
Pour tout matériau magnétique donné, la relation entre la force magnétisante et le flux magnétique produit peut être tracée. C'est ce qu'on appelle la courbe BH du matériau.
La courbe BH montre que, à mesure que la force magnétisante augmente à partir de zéro, le flux augmente jusqu'à une certaine valeur maximale de flux.
Au-dessus de ce niveau, de nouvelles augmentations de la force magnétisante n’entraînent aucune augmentation significative du flux. Le matériau magnétique est dit « saturé ».
Un transformateur est normalement conçu pour garantir que la densité de 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 efficace de la tension appliquée.
N représente le nombre de tours du bobinage.
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 fait que la courbe BH du matériau présente 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 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 haute saturation Grande boucle = grande perte par hystérésis Convient pour 50/60 Hz |
 | Noyau de fer de haute qualité Densité de flux à haute saturation Boucle moyenne = perte d'hystérésis moyenne Convient aux transformateurs 400 Hz |
 | Noyau de ferrite - pas d'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 inductances haute fréquence avec un courant continu important |
4. Perte d'hystérésis
La perte d'hystérésis est le résultat du cycle du matériau magnétique le long de sa courbe BH.
Il représente l'énergie prise sous forme de tension appliquée, aligne les dipôles magnétiques d'abord dans un sens, puis dans l'autre.
La perte augmente avec l’aire de la courbe BH incluse. À mesure que le matériau se rapproche de la saturation, la surface à l’intérieur de la courbe et la perte d’énergie correspondante à chaque cycle augmentent considérablement.
5. Perte par courants de Foucault
La perte par courants de Foucault est causée par de petits courants circulant dans le matériau du noyau, stimulés par le flux alternatif dans le noyau.
La perte de puissance I*I*R (perte « de chauffage ») associée à ces courants produit un échauffement du noyau appelé perte par courants de Foucault.
Dans les transformateurs à noyau de fer, des tôles de fer isolées, appelées laminages, sont utilisées pour minimiser cet effet en limitant le chemin des courants de circulation.
Les noyaux de ferrite limitent encore davantage ces chemins.
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 infinie en circuit ouvert (c'est-à-dire pas de courant d'entrée lorsque les secondaires sont en circuit ouvert).
• Isolation infinie entre les enroulements
En réalité, les transformateurs pratiques présentent des caractéristiques différentes de celles d’un transformateur idéal.
Beaucoup de ces caractéristiques peuvent être représentées par un circuit équivalent à un transformateur :
Où:
R1, R2, R3 représentent la résistance du fil de bobinage.
C1, C2, C3 représentent la capacité entre les enroulements.
Rp représente les pertes dues aux pertes par courants de Foucault et par hystérésis. Il s'agit des pertes de puissance réelles, parfois appelées pertes dans le noyau, qui peuvent être mesurées en effectuant une mesure de puissance en circuit ouvert. Puisqu'il n'y a pas de courant de charge, il y a très peu de perte 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 secteur.
L1, L2, L3 représentent l'inductance de fuite de chacun des enroulements. (Ceci est discuté en détail dans la note Voltech 104-105, "Leakage Inductance".)
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.
8. Lectures complémentaires
Le circuit équivalent peut également être utilisé pour aider à comprendre et à optimiser les tests et les conditions de test qui peuvent être utilisés pour vérifier qu'un transformateur a été construit correctement.
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.