Perte d'énergie des transformateurs

Pertes dans le transformateur

Comme le transformateur est un dispositif statique, les pertes mécaniques dans le transformateur ne sont généralement pas prises en compte. On considère généralement uniquement les pertes électriques dans le transformateur.

Les pertes dans une machine sont définies de manière large comme la différence entre la puissance d'entrée et la puissance de sortie. Lorsque la puissance d'entrée est fournie au primaire du transformateur, une partie de cette puissance est utilisée pour compenser les pertes de noyau dans le transformateur, c'est-à-dire les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault dans le noyau du transformateur, et une autre partie de la puissance d'entrée est perdue sous forme de pertes I2R et dissipée sous forme de chaleur dans les enroulements primaire et secondaire, car ces enroulements ont une certaine résistance interne.

La première est appelée perte de noyau ou perte ferrique dans le transformateur et la seconde est connue sous le nom de perte ohmique ou perte cuivre dans le transformateur. Une autre perte se produit dans le transformateur, connue sous le nom de perte parasite, due aux flux parasites qui s'enroulent autour de la structure mécanique et des conducteurs d'enroulement.

Perte cuivre dans le transformateur

La perte cuivre est une perte I²I2R, avec I12R1 du côté primaire et I22R2 du côté secondaire. Ici, I1 et I2 sont les courants primaire et secondaire, et R1 et R2 sont les résistances des enroulements. Comme ces courants dépendent de la charge, la perte cuivre dans un transformateur varie avec la charge.

Pertes de noyau dans le transformateur

Les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault dépendent des propriétés magnétiques des matériaux utilisés pour construire le noyau du transformateur et de sa conception. Ces pertes dans le transformateur sont fixes et ne dépendent pas du courant de charge. Ainsi, les pertes de noyau dans le transformateur, également connues sous le nom de pertes ferriques, peuvent être considérées comme constantes pour toute plage de charge.

La perte par hystérésis dans le transformateur est notée comme suit,

La perte par courants de Foucault dans le transformateur est notée comme suit,

Kh = constante d'hystérésis.

Ke = constante de courants de Foucault.

Kf = constante de forme.

La perte cuivre peut simplement être notée comme suit,

IL2R2′ + perte parasite

Où, IL = I2 = charge du transformateur, et R2′ est la résistance du transformateur référée au secondaire.

Nous allons maintenant discuter plus en détail des pertes par hystérésis et par courants de Foucault pour une meilleure compréhension du sujet des pertes dans les transformateurs.

Perte par hystérésis dans le transformateur

La perte par hystérésis dans les transformateurs peut être expliquée de deux manières : physiquement et mathématiquement.

Explication physique de la perte par hystérésis

Le noyau magnétique du transformateur est fabriqué en acier silicium laminé à grains orientés. L'acier est un très bon matériau ferromagnétique. Ce type de matériau est très sensible à la magnétisation. Cela signifie que, chaque fois qu'un flux magnétique passera à travers, il se comportera comme un aimant. Les substances ferromagnétiques ont de nombreux domaines dans leur structure.

Les domaines sont de très petites régions dans la structure du matériau, où tous les dipôles sont parallèles dans la même direction. En d'autres termes, les domaines sont comme de petits aimants permanents situés de manière aléatoire dans la structure de la substance.

Ces domaines sont disposés de manière aléatoire à l'intérieur de la structure du matériau, de telle sorte que le champ magnétique résultant net du dit matériau est nul. Lorsqu'un champ magnétique externe (mmf) est appliqué, les domaines dirigés de manière aléatoire s'alignent parallèlement au champ.

Après la suppression du champ, la plupart des domaines retournent à des positions aléatoires, mais certains restent alignés. À cause de ces domaines inchangés, la substance devient légèrement magnétisée de manière permanente. Ce magnétisme est appelé "magnétisme spontané".

Pour neutraliser ce magnétisme, un mmf opposé doit être appliqué. La force magnéto-motrice ou mmf appliquée dans le noyau du transformateur est alternative. Pour chaque cycle, en raison de cet inversement de domaine, un travail supplémentaire sera effectué. C'est pourquoi, il y aura une consommation d'énergie électrique, connue sous le nom de perte par hystérésis du transformateur.

Explication mathématique de la perte par hystérésis dans le transformateur

Détermination de la perte par hystérésis

Considérons un anneau d'un échantillon ferromagnétique de circonférence L mètre, de section transversale a m2 et de N spires de fil isolé, comme illustré sur l'image ci-contre,

Supposons que le courant circulant dans le bobinage est I amp,

Force de magnétisation,

Supposons que la densité de flux à cet instant est B,

Par conséquent, le flux total à travers l'anneau, Φ = BXa Wb

Comme le courant circulant dans le solénoïde est alternatif, le flux produit dans l'anneau de fer est également de nature alternative, donc l'efm (e′) induite sera exprimée comme suit,

Selon la loi de Lenz, cet efm induit s'opposera au flux du courant, par conséquent, pour maintenir le courant I dans le bobinage, la source doit fournir un efm égal et opposé. Par conséquent, l'efm appliqué,

Énergie consommée en un court laps de temps dt, pendant lequel la densité de flux a changé,

Ainsi, le travail total effectué ou l'énergie consommée pendant un cycle complet de magnétisme est,

Maintenant, aL est le volume de l'anneau et H.dB est la surface de la bande élémentaire de la courbe B – H montrée dans la figure ci-dessus,

Par conséquent, l'énergie consommée par cycle = volume de l'anneau × surface de la boucle d'hystérésis.Dans le cas du transformateur, cet anneau peut être considéré comme le noyau magnétique du transformateur. Ainsi, le travail effectué n'est rien d'autre que la perte d'énergie électrique dans le noyau du transformateur, et cela est connu sous le nom de perte par hystérésis dans le transformateur.

Qu'est-ce que la perte par courants de Foucault ?

Dans le transformateur, nous alimentons le primaire en courant alternatif, ce courant alternatif produit un flux de magnétisation alternatif dans le noyau et, comme ce flux est lié au secondaire, il y aura une tension induite dans le secondaire, entraînant un courant qui circule à travers la charge connectée.

Certains des flux alternatifs du transformateur peuvent également être liés à d'autres parties conductrices comme le noyau d'acier ou le corps de fer du transformateur, etc. Comme le flux alternatif est lié à ces parties du transformateur, il y aura un efm local induit.

En raison de ces efms, il y aura des courants qui circuleront localement dans ces parties du transformateur. Ces courants circulants ne contribueront pas à la sortie du transformateur et seront dissipés sous forme de chaleur. Ce type de perte d'énergie est appelé perte par courants de Foucault dans le transformateur.

Il s'agissait d'une explication large et simple de la perte par courants de Foucault. L'explication détaillée de cette perte n'est pas dans le cadre de la discussion de ce chapitre.