Efficacité du transformateur

Présentation de l'efficacité du transformateur

Les transformateurs constituent le maillon le plus important entre les systèmes d'alimentation et la charge. L'efficacité du transformateur affecte directement sa performance et son vieillissement. En général, l'efficacité du transformateur se situe dans une fourchette de 95 à 99 %. Pour les grands transformateurs de puissance avec des pertes très faibles, l'efficacité peut atteindre 99,7 %. Les mesures d'entrée et de sortie d'un transformateur ne sont pas effectuées sous conditions de charge car les lectures des wattmètres subissent inévitablement des erreurs de 1 à 2 %. Ainsi, pour les calculs d'efficacité, des tests en court-circuit (SC) et en circuit ouvert (OC) sont utilisés pour calculer les pertes nominales du noyau et des enroulements dans le transformateur. Les pertes du noyau dépendent de la tension nominale du transformateur, tandis que les pertes de cuivre dépendent des courants traversant les enroulements primaire et secondaire du transformateur. Par conséquent, l'efficacité du transformateur est primordiale pour son fonctionnement sous des conditions de tension et de fréquence constantes. La hausse de température du transformateur due à la chaleur générée affecte la durée de vie des propriétés de l'huile du transformateur et détermine le type de méthode de refroidissement adoptée. La montée en température limite la capacité de l'équipement. L'efficacité du transformateur est simplement donnée par:

• La puissance de sortie est le produit de la fraction de la charge nominale (volt-ampère) et du facteur de puissance de la charge.

• Les pertes sont la somme des pertes de cuivre dans les enroulements + les pertes ferromagnétiques + les pertes diélectriques + les pertes parasites de charge.

• Les pertes ferromagnétiques incluent les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault dans le transformateur. Ces pertes dépendent de la densité de flux à l'intérieur du noyau. Mathématiquement,
  Pertes par hystérésis :
  
  Pertes par courants de Foucault :
  
  Où kh et ke sont des constantes, Bmax est la densité de champ magnétique maximale, f est la fréquence de la source, et t est l'épaisseur du noyau. Le pouvoir 'n' dans la perte par hystérésis est connu comme la constante de Steinmetz dont la valeur peut être d'environ 2.
  

• Les pertes diélectriques se produisent à l'intérieur de l'huile du transformateur. Pour les transformateurs de basse tension, elles peuvent être négligées.

• Le flux de fuite relie le cadre métallique, le réservoir, etc., pour produire des courants de Foucault et est présent autour du transformateur, ce qui explique pourquoi on l'appelle pertes parasites, et il dépend du courant de charge, d'où le nom de "pertes parasites de charge". Il peut être représenté par une résistance en série avec la réactance de fuite.

Calcul de l'efficacité du transformateur

Le circuit équivalent du transformateur référé au côté primaire est montré ci-dessous. Ici, Rc représente les pertes du noyau. À l'aide du test en court-circuit (SC), nous pouvons trouver la résistance équivalente comptabilisant les pertes de cuivre comme

Définissons x% comme le pourcentage de la charge nominale 'S' (VA) et Pcufl(watts) comme la perte de cuivre à pleine charge et cosθ comme le facteur de puissance de la charge. De plus, nous définissons Pi(watts) comme la perte du noyau. Comme les pertes de cuivre et de noyau sont les principales pertes dans le transformateur, seules ces deux types de pertes sont prises en compte lors du calcul de l'efficacité. Alors l'efficacité du transformateur peut être écrite comme suit :

Où, x2Pcufl = perte de cuivre (Pcu) à n'importe quelle charge x% de la charge nominale.
L'efficacité maximale (ηmax) se produit lorsque les pertes variables sont égales aux pertes constantes. Comme la perte de cuivre dépend de la charge, c'est une quantité de perte variable. Et la perte du noyau est considérée comme une quantité constante. Donc, la condition pour l'efficacité maximale est :

Nous pouvons maintenant écrire l'efficacité maximale comme suit :

Cela montre que nous pouvons obtenir une efficacité maximale à pleine charge en sélectionnant correctement les pertes constantes et variables. Cependant, il est difficile d'obtenir une efficacité maximale car les pertes de cuivre sont beaucoup plus élevées que les pertes fixes du noyau.
La variation de l'efficacité avec la charge peut être représentée par la figure ci-dessous :

On peut voir sur la figure que l'efficacité maximale se produit à un facteur de puissance unitaire. Et l'efficacité maximale se produit à la même charge, indépendamment du facteur de puissance de la charge.

Efficacité journalière du transformateur