Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
Un transformateur peut ressembler à une simple boîte métallique. Mais à l'intérieur, c'est une façon intelligente de l'assembler qui le fait fonctionner. Ce processus s'appelle la conception du transformateur. Un transformateur de puissance modifie la tension électrique pour qu'elle soit plus ou moins élevée. Cet article vous montrera comment concevoir un transformateur. Nous expliquerons les parties difficiles d'une manière facile à comprendre. Vous en apprendrez plus sur le noyau, les enroulements et la manière de faire fonctionner votre transformateur sans gaspiller d'énergie. La lecture de ce document vous aidera à comprendre ce qui fait un bon transformateur. Il vous montrera également comment un ingénieur en fabrique un dès le début.
Un transformateur de puissance est un équipement électrique. Il transmet l'énergie électrique d'un circuit à un autre circuit. Il est capable de le faire sans pièces mobiles. La principale fonction d'un transformateur est de modifier la quantité de tension et de courant. Un transformateur peut être un transformateur élévateur ou un transformateur abaisseur. Un transformateur élévateur augmente la tension. Un transformateur abaisseur de tension abaisse la tension. C'est une aide précieuse dans de nombreux systèmes électriques.
Le transformateur remplit sa fonction en utilisant un champ magnétique. Il se compose de deux parties principales. L'une est un noyau magnétique et l'autre un groupe d'enroulements. Il y a au moins deux enroulements : l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. L'enroulement primaire absorbe la puissance d'entrée. L'enroulement secondaire fournit la puissance de sortie. Lorsqu'une tension d'entrée est appliquée à l'enroulement primaire, elle crée un champ magnétique qui se modifie à l'intérieur du noyau. Ce champ magnétique, appelé flux magnétique, crée alors une tension dans l'enroulement secondaire. La particularité d'un transformateur est de voir comment toutes ces pièces font leur travail en équipe. Un simple transformateur peut faire beaucoup de travail.
Il est très important de bien concevoir un transformateur pour qu'il soit sûr et qu'il remplisse bien sa fonction. Un transformateur mal conçu peut causer de gros problèmes. Il peut devenir trop chaud, gaspiller de l'énergie et même s'arrêter de fonctionner d'un seul coup. Un ingénieur doit réfléchir à de nombreux aspects au cours du processus de conception d'un transformateur. L'objectif principal est de fabriquer un transformateur capable de supporter la quantité d'énergie qu'il est censé fournir. Il doit également fonctionner très bien sans gaspiller d'énergie. Un transformateur qui fonctionne aussi bien permet d'économiser de l'argent et de l'énergie.
Une bonne conception du transformateur permet également de s'assurer qu'il fonctionnera pendant de nombreuses années. Il doit être capable de gérer la chaleur dégagée par la perte de puissance. L'isolation doit être suffisamment solide pour la tension la plus élevée qu'il utilisera. La façon dont les pièces sont assemblées doit être correcte. Un bon transformateur est un transformateur sur lequel on peut compter. Par exemple, un transformateur de puissance de 100 kVA doit être conçu avec soin. Il s'agit de s'assurer qu'il peut supporter cette puissance en toute sécurité pendant une longue période. Le travail de l'ingénieur consiste à trouver le bon équilibre entre le prix, la taille et le fonctionnement dans la conception finale du transformateur. C'est ce qui fait du transformateur un élément utile d'un système électrique.
Pour concevoir un transformateur, il faut d'abord savoir ce qu'il doit faire. Vous devez déterminer les détails de base du transformateur. Ces détails constituent la première étape de tout votre travail mathématique. Si vous ne les avez pas, vous ne pourrez pas construire un transformateur utile.
Voici les points importants à décider dès le départ :
Après avoir obtenu ces informations, vous pouvez commencer à calculer les autres parties du transformateur à l'aide des mathématiques. Par exemple, la puissance d'entrée et la puissance de sortie vous aident à déterminer la quantité de courant qui circulera dans les enroulements primaire et secondaire. Ces premières étapes constituent la base de toute la conception de votre transformateur.
Le noyau magnétique est comme le cœur du transformateur. Son rôle est d'indiquer au flux magnétique où aller. Il le guide de l'enroulement primaire vers l'enroulement secondaire. Le matériau utilisé pour le noyau est déterminant pour le bon fonctionnement du transformateur. La plupart des noyaux de transformateurs sont fabriqués dans un matériau spécial appelé acier au silicium. Ce matériau laisse passer très facilement un champ magnétique.
Le noyau n'est pas une pièce d'acier solide. Il est constitué de plusieurs fines feuilles de métal. Ces feuilles sont appelées "tôles". Chaque tôle est recouverte d'une très fine couche d'isolant. Elle est ainsi séparée des autres tôles. Ce système de laminage est très important. Elle permet de réduire la quantité d'énergie perdue dans le cœur. Cette puissance perdue est connue sous le nom de pertes dans le noyau. Un noyau solide laisserait circuler de grands courants électriques à l'intérieur. Cela créerait beaucoup de chaleur et gaspillerait beaucoup d'énergie. Les fines lamelles arrêtent ces courants, ce qui améliore considérablement le fonctionnement du transformateur.
La tension d'un transformateur dépend entièrement du nombre de tours de ses enroulements. La relation entre la tension d'entrée, la tension de sortie et le nombre de spires est très simple. Ce lien est connu sous le nom de rapport des spires. Si l'enroulement secondaire comporte plus de tours que l'enroulement primaire, le transformateur est un transformateur élévateur. Si l'enroulement secondaire a moins de tours, il s'agit d'un transformateur abaisseur.
Pour déterminer le nombre de tours, les ingénieurs utilisent une formule. Cette formule est souvent appelée l'équation EMF du transformateur. Une façon plus simple d'y penser est de parler de "volts par tour". Tout d'abord, vous déterminez la tension qu'un seul tour de l'enroulement peut supporter. Par exemple, si vous constatez que le nombre de volts par tour est de 0,5 et que vous avez besoin d'un enroulement primaire pour 120 volts, vous devez faire le calcul suivant :
Nombre de tours = Tension d'enroulement / Volts par tour Nombre de tours = 120 volts / 0,5 = 240 tours
Vous aurez besoin de 240 tours pour la bobine primaire. Si vous voulez une sortie secondaire de 12 volts, vous aurez besoin de 12 / 0,5 = 24 tours pour l'enroulement secondaire. Ce calcul est une étape très importante dans la conception d'un transformateur.
Le bobinage d'un transformateur est une bobine faite de fil. Ce fil, ou conducteur, est presque toujours en cuivre. Le cuivre est un bon choix parce qu'il transporte très bien l'électricité et ne coûte pas trop cher. L'épaisseur, ou le calibre, du fil de cuivre que vous choisissez est importante. La bonne épaisseur dépend de la quantité de courant que le bobinage doit transporter.
Un enroulement qui transporte beaucoup de courant doit avoir un fil de cuivre épais. Un enroulement avec peu de courant peut utiliser un fil plus fin. Si vous choisissez un fil trop fin pour la quantité de courant, il deviendra trop chaud. Cette chaleur peut faire fondre l'isolation du fil. Cela peut entraîner la rupture du transformateur. Pour trouver la bonne taille de fil, il faut d'abord déterminer le courant primaire et le courant secondaire. Pour ce faire, vous pouvez utiliser la puissance nominale du transformateur (VA).
| Puissance nominale | Tension d'entrée | Courant primaire | Fil suggéré |
|---|---|---|---|
| 100 VA | 120 Volt | 0,83 Ampère | Mince |
| 1000 VA | 120 Volt | 8,3 ampères | Moyen |
| 5000 VA | 120 Volt | 41,7 ampères | Épais |
Ce tableau illustre une idée simple. Plus le courant augmente, plus le fil doit être épais. En choisissant le bon conducteur, on s'assure que le transformateur peut gérer la puissance qu'il doit fournir sans devenir trop chaud. C'est très important pour que vous puissiez compter sur un transformateur sûr.
Aucun transformateur n'est parfait. Chaque transformateur a une certaine perte d'énergie. Cette puissance perdue se transforme en chaleur. Il existe deux principaux types de pertes dans un transformateur : les pertes dans le noyau et les pertes dans le cuivre. Il est très important de les connaître lorsque l'on conçoit un transformateur pour qu'il fonctionne parfaitement.
Les pertes dans le noyau sont des pertes qui se produisent dans le noyau magnétique du transformateur. Elles sont causées par le champ magnétique à l'intérieur de l'acier au silicium, qui change constamment. Ces pertes sont présentes chaque fois que le transformateur est en marche. Cela est vrai même si rien n'est connecté à l'enroulement secondaire. L'utilisation de tôles fines et d'un bon matériau pour le noyau permet de limiter ces pertes.
Les pertes de cuivre sont des pertes qui se produisent dans les enroulements de cuivre. Elles sont dues à la résistance du fil électrique. Lorsque le courant circule dans le fil, il produit de la chaleur. C'est ce que l'on appelle les pertes I²R. Les pertes en cuivre augmentent au fur et à mesure que le transformateur fonctionne. Plus de courant signifie plus de chaleur et plus de puissance gaspillée. Un bon transformateur est conçu de manière à ce que les pertes dans le noyau et les pertes en cuivre soient aussi faibles que possible. Cela permet au transformateur de mieux fonctionner et de gaspiller moins d'énergie.
La façon dont les enroulements primaires et secondaires sont placés sur le noyau s'appelle la disposition des enroulements. Cette disposition peut modifier la façon dont le transformateur effectue son travail. L'objectif principal est d'obtenir la meilleure connexion magnétique entre les bobines primaire et secondaire. Cela signifie qu'il faut que la plus grande partie possible du flux magnétique de l'enroulement primaire soit connectée à l'enroulement secondaire.
Une configuration normale consiste à enrouler la bobine secondaire juste au-dessus de la bobine primaire. Une feuille d'isolant les sépare. Cette configuration place les deux enroulements très près l'un de l'autre. Cette proximité permet de réduire ce que l'on appelle le flux de fuite. Le flux de fuite est un champ magnétique qui s'échappe et ne se connecte pas aux deux enroulements. Une bonne disposition des enroulements améliore la régulation de la tension du transformateur. La régulation de la tension indique dans quelle mesure la tension de sortie diminue lorsque le transformateur fonctionne à pleine puissance. Une bonne configuration permet au transformateur de mieux fonctionner lorsque la quantité d'énergie qu'il délivre change. Elle affecte également l'impédance du transformateur et sa capacité à séparer les circuits d'entrée et de sortie.
Toute l'énergie perdue dans un transformateur se transforme en chaleur. Si cette chaleur n'est pas évacuée, le transformateur devient de plus en plus chaud. Une chaleur trop importante peut endommager l'isolation. Cela peut entraîner la rupture du transformateur. C'est pourquoi chaque transformateur de puissance doit disposer d'un moyen de refroidissement. Les méthodes de refroidissement utilisées dépendent de la taille et de la puissance nominale du transformateur.
Pour les petits transformateurs, l'air qui circule autour d'eux suffit à les refroidir. La chaleur passe du noyau et des enroulements à la surface extérieure, puis se déplace dans l'air. Pour les transformateurs plus importants, ce n'est pas suffisant. Un transformateur de puissance plus important, comme une unité de 100 kVA, peut avoir des ailettes sur son boîtier extérieur. Ces ailettes offrent plus d'espace à l'air, ce qui améliore le refroidissement. Les très gros transformateurs sont souvent placés dans un réservoir rempli d'une huile spéciale. L'huile absorbe la chaleur du noyau et des enroulements du transformateur. L'huile chaude se déplace ensuite et est refroidie par l'air ou par l'eau. Le choix d'un moyen de refroidissement du transformateur est une partie très importante de la conception du transformateur.
Une fois que l'ingénieur a terminé la planification du transformateur et qu'il l'a construit, il doit le tester. Les tests ont pour but de s'assurer que le transformateur fait ce qu'il est censé faire et qu'il peut être utilisé en toute sécurité. Il existe quelques tests normaux pour un transformateur.
L'un de ces tests est appelé test en circuit ouvert. Pour ce test, une tension est appliquée sur le côté primaire, mais le côté secondaire est laissé ouvert, sans aucune connexion. Ce test permet de vérifier les pertes dans le noyau du transformateur. Un autre test est celui du court-circuit. La sortie secondaire est connectée à un fil épais et une très faible tension est appliquée au côté primaire. Ce test permet de vérifier les pertes de cuivre et l'impédance du transformateur. Enfin, un test de régulation de la tension est effectué. Il vérifie l'évolution de la tension secondaire à vide et à pleine charge. Ces tests permettent de s'assurer que le transformateur a la bonne tension et qu'il fonctionne aussi bien que vous le souhaitiez. C'est le dernier contrôle pour un transformateur qui a été bien conçu.
Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
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