Quelles sont les pertes du transformateur ?

Les pertes d'un transformateur de puissance comprennent principalement les pertes cuivre et les pertes fer. En effet, tout équipement électrique génère des pertes lors d'un fonctionnement prolongé, et les transformateurs de puissance ne font pas exception.

Qu'est-ce que les dégâts causés par le fer ?

Contrairement aux pertes par effet Joule, les pertes fer d'un transformateur sont indépendantes de facteurs tels que le bobinage et l'intensité du courant. Comme son nom l'indique, ces pertes sont directement liées au fer et proviennent du noyau de fer. On les appelle également « pertes à vide », car elles sont toujours présentes dans le transformateur, qu'il soit à pleine charge ou à vide, et constituent des pertes fixes. Cependant, lors de la mise en charge, les pertes diminuent avec la diminution de l'intensité du champ électrique.

Classification des pertes fer des transformateurs

Les pertes fer du transformateur se divisent en pertes par hystérésis et pertes par courants de Foucault.

Perte hystérétique

Le principe de fonctionnement d'un transformateur repose sur l'induction électromagnétique, permettant ainsi les variations de tension et de courant. Le flux magnétique circule dans le noyau de fer. Ce noyau oppose une résistance magnétique à ce flux, à l'instar d'un conducteur qui oppose une résistance au courant. Cette résistance génère également de la chaleur, et ces pertes sont appelées « pertes par hystérésis ».

Pertes par courants de Foucault

Lorsqu'un courant est appliqué à l'enroulement primaire du transformateur, le flux magnétique généré par la bobine circule dans le noyau de fer. Ce dernier étant conducteur, un potentiel électrique est induit dans un plan perpendiculaire aux lignes de champ magnétique. Ce potentiel crée une boucle fermée dans la section transversale du noyau, générant ainsi un courant électrique. Ce courant se comporte comme un vortex rotatif, d'où son nom. Les pertes dues aux courants de Foucault sont appelées « pertes par courants de Foucault ». C'est pour éviter la création de ces courants de Foucault que le noyau est réalisé en tôle mince. Plus le noyau est mince, plus sa résistance est élevée et plus le courant est faible.

Facteurs influençant les pertes fer du transformateur

• Tension et fréquence de fonctionnement : les pertes fer sont liées à la tension et à la fréquence de fonctionnement du transformateur, car ces facteurs affectent l’intensité du champ magnétique et l’hystérésis dans le noyau.
• Matériau du noyau : Les propriétés d’hystérésis du matériau du noyau influent sur l’importance des pertes fer. Un mauvais choix du matériau du noyau entraîne une augmentation des pertes par hystérésis.
• Procédé de fabrication : Le procédé de fabrication du transformateur influe également sur les pertes fer. Par exemple, la méthode de laminage des tôles du noyau, le traitement de l’isolation, etc., affectent l’importance de ces pertes.

Comment réduire les pertes fer du transformateur ?

• Choisir un matériau de noyau de fer de haute qualité : le choix d’un matériau de noyau de fer présentant de faibles pertes par hystérésis permet de réduire les pertes fer du transformateur.
• Optimiser le processus de fabrication : réduire les pertes de fer en améliorant la méthode de lamination du noyau, le traitement d’isolation et d’autres procédés de fabrication.
• Conception rationnelle : lors de la conception du transformateur, les pertes fer sont réduites grâce à l’optimisation de la conception structurelle et à la sélection des paramètres.

Perte de cuivre

Le cuivre joue un rôle important dans les transformateurs. Les enroulements de ces derniers sont généralement réalisés avec des fils de cuivre. Les pertes par effet Joule, également appelées pertes en charge, sont les pertes causées par ces fils. Ces pertes en charge sont variables et fluctuent.

Elle varie en fonction du courant ; les pertes par effet Joule (pertes de charge) sont des pertes variables et constituent également la principale perte lors du fonctionnement d'un transformateur.

Facteurs influençant les pertes cuivre dans un transformateur

• Intensité du courant : Comme mentionné précédemment, les pertes par effet Joule sont proportionnelles au carré du courant ; l’intensité du courant est donc le facteur clé qui influe sur ces pertes.
• Résistance de l'enroulement : La résistance de l'enroulement influe directement sur les pertes par effet Joule. Plus la résistance est élevée, plus les pertes par effet Joule sont importantes.
• Nombre de couches de la bobine : plus il y a de couches dans la bobine, plus le trajet du courant dans l’enroulement est long, et plus la résistance augmente, ce qui entraîne une augmentation des pertes par effet Joule.
• Fréquence de commutation : L’influence de la fréquence de commutation sur les pertes cuivre du transformateur est directement liée aux paramètres de distribution et aux caractéristiques de la charge. Lorsque la charge et les paramètres de distribution sont inductifs, les pertes cuivre diminuent avec l’augmentation de la fréquence de commutation ; en revanche, lorsqu’ils sont capacitifs, elles augmentent.
• Influence de la température : les pertes en charge sont également affectées par la température du transformateur. Par ailleurs, le flux de fuite induit par le courant de charge engendre des pertes par courants de Foucault dans l’enroulement et des pertes parasites dans les parties métalliques extérieures à l’enroulement.

Comment réduire les pertes par effet Joule dans un transformateur ?

• Augmenter la section transversale de l'enroulement du transformateur : réduire la résistance du conducteur, et donc réduire efficacement les pertes par effet Joule du transformateur.
• Utilisez des matériaux conducteurs de haute qualité, tels que des feuilles de cuivre ou d'aluminium, pour réduire la résistance de l'enroulement.
• Réduire la durée de fonctionnement à faible charge du transformateur : limiter la proportion de temps de fonctionnement à faible charge du transformateur contribuera à réduire les pertes par effet Joule du transformateur.