Obtenir les meilleures performances des transformateurs : Comprendre les pertes dans le noyau et les pertes à vide

Un transformateur est un élément très important de notre monde électrique. Il alimente tout. Cela inclut votre chargeur de téléphone et même des villes entières. Mais il faut savoir qu'un transformateur gaspille une petite quantité d'énergie chaque fois qu'il fonctionne. Cette énergie gaspillée coûte de l'argent. Elle peut également modifier la qualité du travail du transformateur. Dans cet article, vous découvrirez un type important de perte d'énergie. Il s'agit des pertes dans le noyau. On parle également de pertes à vide. Lorsque vous comprendrez ces pertes, vous comprendrez pourquoi il est important de choisir le bon transformateur. Il permet d'économiser de l'énergie et d'améliorer le fonctionnement des appareils. Commençons à nous familiariser avec les pertes des transformateurs.

Qu'est-ce qu'un transformateur et pourquoi ses pertes sont-elles si importantes ?

Un transformateur est une machine simple, mais très puissante. Il transforme l'électricité d'un niveau de tension à un autre. Par exemple, un grand transformateur situé sur un poteau électrique peut transformer une haute tension en une tension plus basse et plus sûre pour votre maison. Chaque transformateur comporte au moins deux séries de fils à l'intérieur. C'est ce qu'on appelle un enroulement ou une bobine. Le premier ensemble est l'enroulement primaire, qui absorbe l'énergie. Le second est l'enroulement secondaire, qui envoie le courant. Ces fils sont le plus souvent enroulés autour d'une pièce en fer appelée noyau du transformateur.

Le fonctionnement d'un transformateur n'est pas parfait. Une partie de l'énergie est perdue lorsque l'électricité passe par le transformateur. Ces pertes de transformateur se transforment en chaleur. C'est comme si vous frottiez vos mains l'une contre l'autre. Elles deviennent chaudes à cause du frottement. Un transformateur qui fonctionne génère également de la chaleur. Cette perte de chaleur est de l'énergie gaspillée. Si nous comprenons pourquoi cette perte d'énergie se produit, nous pouvons fabriquer de meilleurs transformateurs. Ces transformateurs seront plus efficaces. Certaines pertes se produisent toujours. D'autres varient en fonction de la quantité d'électricité utilisée. C'est pourquoi la gestion de ces pertes est un élément très important de la conception des transformateurs.

Existe-t-il différents types de pertes dans les transformateurs ?

Non, il existe différents types de pertes dans les transformateurs. Nous pouvons les classer en deux grands groupes. Le premier est celui des pertes dans le noyau, également appelées pertes à vide. Le second est celui des pertes de charge, également appelées pertes de cuivre. La principale différence entre ces deux groupes est la suivante quand elles se produisent. Les pertes dans le noyau sont toujours présentes. Elles se produisent à chaque fois que le transformateur est sous tension. Cela est vrai même si le transformateur n'alimente rien. Mais les pertes de charge sont différentes. Elles ne se produisent que lorsqu'il y a une charge sur le transformateur.

Les pertes de charge proviennent du fil de cuivre dans l'enroulement. Ce fil résiste au flux d'électricité. Un courant électrique traverse les enroulements primaire et secondaire. Le matériau conducteur s'oppose à ce flux de courant. En raison de la résistance, il génère de la chaleur. Lorsque le courant circule davantage, les pertes de charge augmentent. On parle parfois de pertes de cuivre. Cela s'explique par le fait que les parties de l'enroulement sont en cuivre. Le montant de cette perte due à la résistance augmente très rapidement. Elle est basée sur le carré du courant de charge. Par exemple, si le courant de charge double, les pertes en cuivre seront quatre fois plus importantes.

Qu'est-ce que les pertes dans le noyau d'un transformateur ?

Les pertes dans le noyau sont les pertes d'énergie qui se produisent à l'intérieur du noyau magnétique d'un transformateur. Cela se produit en raison du champ magnétique alternatif. Un transformateur a besoin de ce champ pour effectuer son travail. Un courant alternatif traverse la bobine primaire. Cela crée un flux magnétique changeant dans le matériau du noyau. C'est ce flux changeant qui permet au transformateur de déplacer l'énergie. Il la déplace de l'enroulement primaire à l'enroulement secondaire. Mais cette même action fait également perdre de l'énergie au transformateur. Cette énergie perdue se transforme en chaleur à l'intérieur du noyau.

Il y a deux raisons principales à ces pertes. Il s'agit de l'hystérésis et des courants de Foucault. Nous les appelons pertes par hystérésis et par courant de Foucault lorsque nous les évoquons ensemble. Ces pertes de puissance sont toujours présentes lorsque le transformateur est en marche. Cela est dû au fait que la tension crée toujours ce champ magnétique changeant. Que vous utilisiez le transformateur pour alimenter une lampe ou non, cela ne fait aucune différence. Les pertes se produisent en permanence. C'est pourquoi le contrôle des pertes dans le noyau est important pour l'efficacité d'un transformateur. Si un transformateur est en marche toute la journée et toute la nuit, il gaspillera de l'énergie tout le temps à cause de ces pertes.

Pourquoi appelle-t-on les pertes de base "pertes sans charge" ?

Le nom "pertes sans charge" nous aide à comprendre quand cette perte se produit. Ce nom vient du fait que la perte existe même à vide. Une charge est un élément connecté à l'enroulement secondaire. Une "charge" est un élément qui utilise l'énergie du transformateur. Il peut s'agir par exemple d'une ampoule, d'un moteur ou d'un ordinateur. Même lorsque rien n'est branché, un petit courant primaire entre dans le transformateur. Ce courant est nécessaire pour créer le flux magnétique à l'intérieur du noyau.

Ce petit courant permet au noyau du transformateur d'être prêt à fonctionner. Il maintient le noyau dans un état de magnétisation. L'énergie qu'il utilise pour ce travail est ce que nous appelons les pertes à vide. Cette action se produit tout le temps lorsque le transformateur est en marche. Les pertes ne changent donc jamais. La quantité de courant de charge qui alimente un appareil n'a aucun effet sur les pertes du noyau. Ainsi, la perte dans le noyau reste la même si le transformateur travaille beaucoup ou ne fait rien du tout (à vide). Ceci est très différent des pertes de charge. Les pertes de charge sont nulles lorsqu'il n'y a pas de charge.

Qu'est-ce qui provoque une perte par hystérésis dans le noyau d'un transformateur ?

La perte par hystérésis est un élément des pertes du noyau. Une bonne façon de l'imaginer est de penser que le matériau du noyau magnétique contient de nombreux petits aimants. Le courant alternatif dans la bobine primaire circule dans une direction. Cela permet aux petits aimants de s'aligner. Ensuite, le courant change et circule dans l'autre sens. Tous ces petits aimants doivent alors se retourner et s'aligner dans la nouvelle direction. Cela se produit à plusieurs reprises, très rapidement. Le matériau du noyau lutte contre ces changements rapides. Cette lutte s'appelle l'hystérésis.

Cette "friction magnétique", ou hystérésis, consomme de l'énergie. L'énergie nécessaire pour continuer à faire basculer les petits aimants se transforme en chaleur. Cette perte de chaleur est la perte par hystérésis. L'importance de la perte due à l'hystérésis dépend du type de matériau utilisé pour le noyau. Certains matériaux ont moins de "friction" que d'autres. Pour un transformateur, les constructeurs choisissent un matériau de noyau magnétique à faible hystérésis. L'acier au silicium en est un bon exemple. Ce choix permet de minimiser ce type de dissipation d'énergie. Les changements constants de direction magnétique sont à l'origine de cette perte.

Comment les courants de Foucault gaspillent-ils l'énergie dans un transformateur ?

L'autre élément des pertes dans le noyau est appelé perte par courant de Foucault. Le champ magnétique changeant dans le noyau du transformateur fait plus d'une chose. Il crée une tension dans la bobine secondaire. Mais il crée également une tension à l'intérieur du noyau de fer lui-même. Le noyau est un matériau conducteur. Cette tension fait donc circuler de petits cercles de courant à l'intérieur du noyau. Nous appelons ces courants induits indésirables des courants de Foucault.

Ces petits cercles de courant se déplacent à travers le noyau. Le matériau du noyau présente une certaine résistance à l'électricité. C'est pourquoi le courant de Foucault génère de la chaleur. Cela ressemble beaucoup à la façon dont le courant passe à travers un enroulement de cuivre pour créer des pertes de cuivre. L'énergie dissipée sous forme de chaleur par ces courants est la perte par courant de Foucault. Cette perte d'énergie est directement proportionnelle à la vitesse à laquelle le courant change et à l'intensité du flux magnétique. Un flux plus fort crée une force magnétique plus importante. Cela induit un courant de Foucault plus important.

Est-il possible de réduire les pertes dues aux courants de Foucault dans un transformateur ?

Oui, nous pouvons réduire les pertes dans le noyau. Nous pouvons spécifiquement réduire les pertes dues aux courants de Foucault grâce à une conception intelligente des transformateurs. La meilleure façon d'y parvenir est de rendre plus difficile la circulation des courants de Foucault. Nous savons qu'un gros morceau de métal solide laisse se former un courant de Foucault important. C'est pourquoi, au lieu d'utiliser un bloc de fer massif, les constructeurs fabriquent des transformateurs à partir d'un bloc de fer. le noyau du transformateur à partir d'un noyau stratifié. Cela signifie que le noyau est constitué de plusieurs feuilles d'acier très fines. Ces feuilles sont appelées laminage.

Chaque feuille mince, ou laminage, est recouverte d'un revêtement spécial. Ce revêtement agit comme un mur qui ne laisse pas passer l'électricité. Il est très difficile pour le courant de passer d'une feuille à l'autre. Les grandes trajectoires circulaires qu'un courant de Foucault veut suivre sont ainsi interrompues. Le courant ne peut circuler que dans de petits cercles à l'intérieur de chaque feuille mince. Cela crée des courants de Foucault beaucoup plus faibles, qui sont connus sous le nom de courants de Foucault. Cette méthode permet de réduire considérablement la perte totale due aux courants de Foucault. L'utilisation d'un noyau stratifié est la méthode normale pour minimiser les pertes causées par les courants de Foucault et améliorer l'efficacité des transformateurs. Nous laminons le noyau pour réduire le flux des courants de Foucault.

Comment le matériau du noyau modifie-t-il l'efficacité d'un transformateur ?

Le matériau du noyau joue un rôle très important dans les performances des transformateurs. Il affecte également l'efficacité des transformateurs. Un bon matériau de noyau doit remplir deux fonctions. Premièrement, il doit être facile à magnétiser et à démagnétiser. Cela permet de minimiser la perte par hystérésis. Les matériaux à faible hystérésis ne luttent pas autant contre le champ magnétique changeant. Cela signifie moins de perte d'énergie. L'acier au silicium est très utilisé parce qu'il possède de grandes capacités magnétiques et une faible hystérésis.

Deuxièmement, le matériau de l'âme doit avoir une résistance élevée à l'électricité. Cela permet de minimiser les pertes dues aux courants de Foucault. Si la résistance est élevée, il est plus difficile pour un courant de Foucault de circuler, même si la tension est la même. L'ajout de silicium à l'acier augmente sa résistance. C'est une autre raison pour laquelle l'acier est un excellent choix pour un transformateur. L'épaisseur du laminage joue également un rôle. Un laminage plus fin permet de réduire encore davantage les courants de Foucault. L'objectif principal est de choisir un matériau capable de supporter un flux magnétique important tout en ayant une hystérésis et des pertes par courants de Foucault aussi faibles que possible.

Comment les pertes dans le noyau affectent-elles le fonctionnement d'un transformateur ?

Les pertes dans le noyau ont un effet réel sur le fonctionnement d'un transformateur. Ces pertes sont constantes. Elles constituent une perte d'énergie constante tant que le transformateur est en marche. Cette énergie perdue se transforme en chaleur. Cette chaleur fait chauffer le transformateur. Si un transformateur devient trop chaud, l'isolation du bobinage peut être endommagée. Cela peut réduire la durée de vie du transformateur. Il est donc nécessaire de contrôler la chaleur due aux pertes du noyau. Cela nécessite souvent des systèmes de refroidissement.

De plus, les pertes dans le noyau diminuent l'efficacité du transformateur. Le rendement d'un transformateur indique la part de la puissance injectée qui est restituée sous forme de puissance utile. Toute perte d'énergie sous forme de chaleur est de l'énergie qui n'atteint pas l'appareil qu'elle est censée alimenter. Pendant toute la durée de vie d'un transformateur, cette perte constante d'énergie peut coûter très cher. C'est particulièrement vrai pour les gros transformateurs de puissance qui fonctionnent pendant de nombreuses années. Une meilleure régulation de la tension et un rendement élevé découlent de pertes moindres. C'est pourquoi les compagnies d'électricité paieront plus cher pour un transformateur à haut rendement ayant de faibles pertes dans le noyau.

Quelle est la meilleure façon de réduire les pertes dans le noyau d'un transformateur ?

Pour réduire les pertes dans le noyau et améliorer les performances d'un transformateur, les constructeurs travaillent sur deux points essentiels. Ils se concentrent sur le matériau du noyau et sur la manière dont le noyau est construit. L'idée est de corriger à la fois les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault. La première étape consiste à utiliser un matériau de noyau de haute qualité. Il existe des types spéciaux d'acier au silicium conçus pour avoir une hystérésis très faible. Certains nouveaux modèles de transformateurs utilisent même des noyaux en métal amorphe. Ces derniers ont une perte d'hystérésis encore plus faible.

Pour lutter contre les pertes dues aux courants de Foucault, la meilleure solution consiste à utiliser un noyau stratifié. Les tôles doivent être aussi fines que possible. Chacune d'entre elles doit également être recouverte d'un bon revêtement pour l'isoler des autres. Un transformateur bien conçu, doté d'un noyau de qualité supérieure à stratification fine, présente des pertes de noyau très faibles. Lorsque vous choisissez un transformateur, vérifiez ses pertes à vide. Un chiffre plus bas signifie moins d'énergie gaspillée et des coûts de fonctionnement moins élevés au fil du temps. Cela contribue à réduire la consommation d'énergie.

Ce qu'il faut retenir

Voici une liste rapide des idées les plus importantes concernant les pertes dans le noyau des transformateurs :

• Un transformateur présente deux grands types de pertes : les pertes dans le noyau (qui sont des pertes à vide) et les pertes dans la charge (qui sont des pertes dans le cuivre).
• Les pertes dans le noyau se produisent toujours tant que le transformateur est alimenté, même si rien n'y est connecté.
• Ces pertes sont dues à deux éléments dans le noyau du transformateur : les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault.
• La perte par hystérésis est comparable à un frottement magnétique qui se produit en raison de la variation du champ magnétique dans le matériau du noyau.
• La perte par courants de Foucault est due à la création de petits cercles de courant non désirés dans le noyau, ce qui génère de la chaleur.
• Nous pouvons minimiser la perte d'hystérésis en utilisant des matériaux spéciaux comme l'acier au silicium.
• Nous pouvons minimiser la perte par courants de Foucault en fabriquant le noyau à partir de feuilles minces et isolées appelées laminations.
• La réduction des pertes dans le noyau permet d'améliorer l'efficacité des transformateurs, de réduire les pertes de chaleur et de diminuer les factures d'électricité.