Considérations pratiques - Transformateurs

Capacité de puissance

Comme cela a déjà été observé, les transformateurs doivent être bien conçus afin d'obtenir un couplage de puissance acceptable, une régulation de tension stricte et une faible distorsion du courant d'excitation. En outre, les transformateurs doivent être conçus pour transporter les valeurs attendues du courant d'enroulement primaire et secondaire sans aucun problème.

Cela signifie que les conducteurs d'enroulement doivent être constitués d'un fil de calibre approprié pour éviter tout problème de chauffage.

Transformateur idéal

Un transformateur idéal aurait un couplage parfait (pas d'inductance de fuite), une régulation de tension parfaite, un courant d'excitation parfaitement sinusoïdal, pas d'hystérésis ni de pertes par courants de Foucault, et un fil suffisamment épais pour supporter n'importe quelle quantité de courant. Malheureusement, le transformateur idéal devrait être infiniment grand et lourd pour atteindre ces objectifs de conception.

Ainsi, dans le métier de pratique conception du transformateur, des compromis doivent être faits.

De plus, l'isolation des conducteurs d'enroulement est un problème lorsque des tensions élevées sont rencontrées, comme c'est souvent le cas dans les transformateurs de distribution d'alimentation élévateurs et abaisseurs.

Non seulement les enroulements doivent être bien isolés du noyau de fer, mais chaque enroulement doit être suffisamment isolé l'un de l'autre afin de maintenir l'isolation électrique entre les enroulements.

Évaluations des transformateurs

En respectant ces limitations, les transformateurs sont évalués pour certains niveaux de tension et de courant d'enroulement primaire et secondaire, bien que l'intensité nominale soit généralement dérivée d'une évaluation en volt-amp (VA) attribuée au transformateur.

Par exemple, prenez un transformateur abaisseur avec une tension nominale primaire de 120 volts, une tension nominale secondaire de 48 volts et une puissance nominale VA de 1 kVA (1000 VA). Les courants d'enroulement maximum peuvent être déterminés comme suit : kVA (1000 VA). Les courants d'enroulement maximum peuvent être déterminés comme tels :

Parfois, les enroulements porteront des valeurs nominales de courant en ampères, mais cela se voit généralement sur les petits transformateurs. Les gros transformateurs sont presque toujours évalués en termes de tension d'enroulement et de VA ou kVA.

Pertes d'énergie

Lorsque les transformateurs transfèrent la puissance, ils le font avec un minimum de pertes. Comme indiqué précédemment, les conceptions de transformateurs de puissance modernes dépassent généralement 95 % d'efficacité. Cependant, il est bon de savoir où va une partie de cette puissance perdue et ce qui la fait perdre.

Il y a bien sûr une perte de puissance due à la résistance des enroulements de fil. À moins que des fils supraconducteurs ne soient utilisés, il y aura toujours de la puissance dissipée sous forme de chaleur à travers la résistance des conducteurs porteurs de courant. Étant donné que les transformateurs nécessitent de telles longueurs de fil, cette perte peut être un facteur important.

L'augmentation du calibre du fil de bobinage est un moyen de minimiser cette perte, mais uniquement avec des augmentations substantielles du coût, de la taille et du poids.

Perte par courants de Foucault

Mis à part les pertes résistives, la majeure partie de la perte de puissance du transformateur est due aux effets magnétiques dans le noyau. La plus importante de ces « pertes de base » est peut-être une perte par courants de Foucault , qui est la dissipation de puissance résistive due au passage de courants induits à travers le fer du noyau.

Parce que le fer est un conducteur d'électricité en plus d'être un excellent « conducteur » de flux magnétique, il y aura des courants induits dans le fer tout comme il y aura des courants induits dans les enroulements secondaires à partir du champ magnétique alternatif.

Ces courants induits, tels que décrits par la clause de perpendicularité de la loi de Faraday, ont tendance à circuler à travers la section transversale du noyau perpendiculairement aux spires de l'enroulement primaire.

Leur mouvement circulaire leur donne leur nom inhabituel :comme des tourbillons dans un courant d'eau qui circulent plutôt que de se déplacer en ligne droite.

Le fer est un bon conducteur d'électricité, mais pas aussi bon que le cuivre ou l'aluminium à partir desquels les enroulements de fil sont généralement fabriqués. Par conséquent, ces « courants de Foucault » doivent surmonter une résistance électrique importante lorsqu'ils circulent dans le noyau.

En surmontant la résistance offerte par le fer, ils dissipent de la puissance sous forme de chaleur. Par conséquent, nous avons une source d'inefficacité dans le transformateur qui est difficile à éliminer.

Chauffage par induction

Ce phénomène est si prononcé qu'il est souvent exploité comme moyen de chauffage de matériaux ferreux (contenant du fer). La photographie ci-dessous montre une unité de « chauffage par induction » augmentant la température d'une grande section de tuyau.

Des boucles de fil recouvertes d'une isolation haute température encerclent la circonférence du tuyau, induisant des courants de Foucault dans la paroi du tuyau par induction électromagnétique. Afin de maximiser l'effet des courants de Foucault, le courant alternatif haute fréquence est utilisé plutôt que la fréquence de la ligne électrique (60 Hz).

Les boîtiers à droite de l'image produisent le courant alternatif haute fréquence et contrôlent la quantité de courant dans les fils pour stabiliser la température du tuyau à un "point de consigne" prédéterminé.

Chauffage par induction :L'enroulement isolé primaire induit du courant dans le tuyau en fer avec perte (secondaire).

Atténuer les courants de Foucault

La stratégie principale pour atténuer ces courants de Foucault inutiles dans les noyaux de transformateur consiste à former le noyau de fer en feuilles, chaque feuille étant recouverte d'un vernis isolant de sorte que le noyau soit divisé en fines tranches. Le résultat est très peu de largeur dans le noyau pour que les courants de Foucault y circulent :

La division du noyau de fer en fines lamelles isolées minimise les pertes par courants de Foucault.

Laminé des noyaux comme celui illustré ici sont standard dans presque tous les transformateurs basse fréquence. Rappel de la photographie du transformateur coupé en deux que le noyau de fer était composé de plusieurs feuilles minces plutôt que d'une seule pièce solide.

Les pertes par courants de Foucault augmentent avec la fréquence, de sorte que les transformateurs conçus pour fonctionner avec une alimentation à haute fréquence (comme 400 Hz, utilisé dans de nombreuses applications militaires et aéronautiques) doivent utiliser des tôles plus fines pour maintenir les pertes à un minimum respectable.

Ceci a pour effet indésirable d'augmenter le coût de fabrication du transformateur.

Une autre technique similaire pour minimiser les pertes par courants de Foucault, qui fonctionne mieux pour les applications à haute fréquence, consiste à fabriquer le noyau à partir de poudre de fer au lieu de feuilles de fer minces.

Comme les feuilles de stratification, ces granulés de fer sont individuellement enrobés d'un matériau électriquement isolant, ce qui rend le noyau non conducteur sauf dans la largeur de chaque granule. On trouve souvent des noyaux de fer en poudre dans les transformateurs gérant des courants radiofréquence.

Hystérésis magnétique

Une autre "perte de noyau" est celle de l'hystérésis magnétique . Tous les matériaux ferromagnétiques ont tendance à conserver un certain degré d'aimantation après exposition à un champ magnétique externe.

Cette tendance à rester magnétisée est appelée "hystérésis", et il faut un certain investissement en énergie pour surmonter cette opposition à changer à chaque fois que le champ magnétique produit par l'enroulement primaire change de polarité (deux fois par cycle AC).

Ce type de perte peut être atténué par une bonne sélection du matériau du noyau (choix d'un alliage de noyau avec une faible hystérésis, comme en témoigne une courbe d'hystérésis B/H « mince »), et en concevant le noyau pour une densité de flux minimale (grande section transversale) .

Effet de peau à hautes fréquences

Les pertes d'énergie du transformateur ont tendance à s'aggraver avec l'augmentation de la fréquence. L'effet de peau dans les conducteurs d'enroulement réduit la section transversale disponible pour le flux de charge électrique, augmentant ainsi la résistance effective à mesure que la fréquence augmente et créant plus de puissance perdue par dissipation résistive.

Les pertes de noyau magnétique sont également exagérées avec des fréquences plus élevées, des courants de Foucault et des effets d'hystérésis devenant plus sévères. Pour cette raison, les transformateurs de taille importante sont conçus pour fonctionner efficacement dans une plage de fréquences limitée.

Dans la plupart des systèmes de distribution d'énergie où la fréquence de ligne est très stable, on pourrait penser qu'une fréquence excessive ne poserait jamais de problème. Malheureusement, c'est le cas, sous la forme d'harmoniques créées par des charges non linéaires.

Comme nous l'avons vu dans les chapitres précédents, les formes d'onde non sinusoïdales sont équivalentes à des séries additives de multiples formes d'onde sinusoïdales à différentes amplitudes et fréquences. Dans les systèmes électriques, ces autres fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale (de ligne), ce qui signifie qu'elles seront toujours supérieures, et non inférieures, à la fréquence de conception du transformateur.

Dans une mesure significative, ils peuvent provoquer une surchauffe sévère du transformateur. Les transformateurs de puissance peuvent être conçus pour gérer certains niveaux d'harmoniques du système d'alimentation, et cette capacité est parfois désignée par un « facteur K ».

Capacité et inductance parasites

Outre les puissances nominales et les pertes de puissance, les transformateurs présentent souvent d'autres limitations indésirables dont les concepteurs de circuits doivent être informés. Comme leurs homologues plus simples, les inducteurs, les transformateurs présentent une capacité due au diélectrique d'isolation entre les conducteurs :d'enroulement à enroulement, de tour à tour (dans un seul enroulement) et d'enroulement au noyau.

Fréquence de résonance du transformateur

Habituellement, cette capacité n'est pas un problème dans une application d'alimentation, mais les applications à petits signaux (en particulier celles à haute fréquence) peuvent ne pas bien tolérer cette bizarrerie.

De plus, l'effet d'avoir une capacité avec l'inductance conçue des enroulements donne aux transformateurs la capacité de résonner à une fréquence particulière, certainement un problème de conception dans les applications de signal où la fréquence appliquée peut atteindre ce point (généralement la fréquence de résonance d'un transformateur de puissance est bien au-delà de la fréquence du courant alternatif sur lequel il a été conçu pour fonctionner).

Confinement de flux

Le confinement du flux (s'assurer que le flux magnétique d'un transformateur ne s'échappe pas de manière à interférer avec un autre appareil, et s'assurer que le flux magnétique des autres appareils est protégé du noyau du transformateur) est une autre préoccupation partagée à la fois par les inducteurs et les transformateurs.

Inductance de fuite

L'inductance de fuite est étroitement liée au problème du confinement du flux. Nous avons déjà vu les effets néfastes de l'inductance de fuite sur la régulation de la tension avec les simulations SPICE au début de ce chapitre. Parce que l'inductance de fuite est équivalente à une inductance connectée en série avec l'enroulement du transformateur, elle se manifeste comme une impédance en série avec la charge.

Ainsi, plus le courant consommé par la charge est important, moins la tension disponible aux bornes de l'enroulement secondaire est importante. Habituellement, une bonne régulation de la tension est souhaitée dans la conception des transformateurs, mais il existe des applications exceptionnelles.

Comme indiqué précédemment, les circuits d'éclairage à décharge nécessitent un transformateur élévateur avec une régulation de tension « relâche » (mauvaise) pour assurer une tension réduite après l'établissement d'un arc à travers la lampe. Une façon de répondre à ce critère de conception consiste à concevoir le transformateur avec des chemins de fuite de flux pour que le flux magnétique contourne le ou les enroulements secondaires.

Le flux de fuite résultant produira une inductance de fuite, qui, à son tour, produira la mauvaise régulation nécessaire pour l'éclairage à décharge.

Saturation du cœur

Les transformateurs sont également limités dans leurs performances par les limitations de flux magnétique du noyau. Pour les transformateurs à noyau ferromagnétique, nous devons être attentifs aux limites de saturation du noyau.

N'oubliez pas que les matériaux ferromagnétiques ne peuvent pas supporter des densités de flux magnétique infinies :ils ont tendance à « saturer » à un certain niveau (dicté par les dimensions du matériau et du noyau), ce qui signifie qu'une augmentation supplémentaire de la force du champ magnétique (mmf) n'entraîne pas d'augmentation proportionnelle de la force magnétique. flux de champ (Φ).

Lorsque l'enroulement primaire d'un transformateur est surchargé à cause d'une tension appliquée excessive, le flux de noyau peut atteindre des niveaux de saturation pendant les moments de pointe du cycle d'onde sinusoïdale CA. Si cela se produit, la tension induite dans l'enroulement secondaire ne correspondra plus à la forme d'onde que la tension alimentant la bobine primaire.

En d'autres termes, le transformateur surchargé va déformer la forme d'onde des enroulements primaires aux enroulements secondaires, créant des harmoniques dans la sortie de l'enroulement secondaire. Comme nous l'avons vu précédemment, le contenu harmonique dans les systèmes d'alimentation CA cause généralement des problèmes.

Transformateurs de pointe

Transformateurs spéciaux appelés transformateurs de crête exploiter ce principe pour produire de brèves impulsions de tension près des pics de la forme d'onde de la tension source. Le noyau est conçu pour saturer rapidement et fortement, à des niveaux de tension bien inférieurs au pic.

Cela se traduit par une forme d'onde de flux sinusoïdale fortement rognée et des impulsions de tension secondaire uniquement lorsque le flux change (en dessous des niveaux de saturation) :

Formes d'onde de tension et de flux pour un transformateur de crête.

Fonctionnement à des fréquences inférieures à la normale

Une autre cause de saturation anormale du noyau de transformateur est le fonctionnement à des fréquences inférieures à la normale. Par exemple, si un transformateur de puissance conçu pour fonctionner à 60 Hz est forcé de fonctionner à 50 Hz à la place, le flux doit atteindre des niveaux de crête plus élevés qu'auparavant afin de produire la même tension opposée nécessaire pour s'équilibrer avec la tension source.

Ceci est vrai même si la tension de la source est la même qu'avant.

Le flux magnétique est plus élevé dans un noyau de transformateur alimenté à 50 Hz par rapport à 60 Hz pour la même tension.

Étant donné que la tension d'enroulement instantanée est proportionnelle au taux de variation du flux magnétique instantané dans un transformateur, une forme d'onde de tension atteignant la même valeur de crête, mais prenant plus de temps pour terminer chaque demi-cycle, exige que le flux maintienne le même taux de changement qu'auparavant, mais pendant des périodes plus longues.

Ainsi, si le flux doit grimper au même rythme qu'auparavant, mais pendant de plus longues périodes, il grimpera jusqu'à une valeur de crête plus élevée.

Mathématiquement, c'est un autre exemple de calcul en action. Parce que la tension est proportionnelle au taux de variation du flux, nous disons que la forme d'onde de tension est la dérivé de la forme d'onde de flux, "dérivée" étant cette opération de calcul définissant une fonction mathématique (forme d'onde) en termes de taux de variation d'une autre.

Si nous adoptons la perspective opposée et relions la forme d'onde d'origine à sa dérivée, nous pouvons appeler la forme d'onde d'origine l'intégrale de la forme d'onde dérivée. Dans ce cas, la forme d'onde de tension est la dérivée de la forme d'onde de flux et la forme d'onde de flux est l'intégrale de la forme d'onde de tension.

L'intégrale de toute fonction mathématique est proportionnelle à la surface accumulée sous la courbe de cette fonction. Étant donné que chaque demi-cycle de la forme d'onde de 50 Hz accumule plus de surface entre elle et la ligne zéro du graphique que la forme d'onde de 60 Hz - et nous savons que le flux magnétique est l'intégrale de la tension - le flux atteindra des valeurs plus élevées dans la figure ci-dessous.

Le flux changeant à la même vitesse monte à un niveau plus élevé à 50 Hz qu'à 60 Hz.

Une autre cause de saturation du transformateur est la présence de courant continu dans l'enroulement primaire. Toute chute de tension continue dans l'enroulement primaire d'un transformateur provoquera un flux magnétique supplémentaire dans le noyau. Ce « biais » ou « décalage » de flux supplémentaire poussera la forme d'onde de flux alternatif plus près de la saturation dans un demi-cycle que dans l'autre.

DC dans le primaire décale les pics de forme d'onde vers la limite de saturation supérieure.

Pour la plupart des transformateurs, la saturation du noyau est un effet très indésirable, et il est évité grâce à une bonne conception :concevoir les enroulements et le noyau de sorte que les densités de flux magnétique restent bien en dessous des niveaux de saturation.

Cela garantit que la relation entre mmf et est plus linéaire tout au long du cycle de flux, ce qui est bon car cela réduit la distorsion de la forme d'onde du courant de magnétisation.

En outre, la conception du noyau pour les faibles densités de flux fournit une marge de sécurité entre les pics de flux normaux et les limites de saturation du noyau pour s'adapter à des conditions occasionnelles et anormales telles que la variation de fréquence et le décalage CC.

Courant d'appel

Lorsqu'un transformateur est initialement connecté à une source de tension alternative, il peut y avoir une forte augmentation de courant à travers l'enroulement primaire appelée courant d'appel . Ceci est analogue au courant d'appel présenté par un moteur électrique qui est démarré par une connexion soudaine à une source d'alimentation, bien que l'appel du transformateur soit causé par un phénomène différent.

Nous savons que le taux de variation du flux instantané dans un noyau de transformateur est proportionnel à la chute de tension instantanée aux bornes de l'enroulement primaire. Ou, comme indiqué précédemment, la forme d'onde de tension est la dérivée de la forme d'onde de flux et la forme d'onde de flux est l'intégrale de la forme d'onde de tension.

Dans un transformateur fonctionnant en continu, ces deux formes d'onde sont déphasées de 90°. Étant donné que le flux (Φ) est proportionnel à la force magnétomotrice (mmf) dans le noyau et que le mmf est proportionnel au courant d'enroulement, la forme d'onde du courant sera en phase avec la forme d'onde du flux et les deux seront en retard de 90 par rapport à la forme d'onde de la tension. ° :

Fonctionnement continu en régime permanent :le flux magnétique, comme le courant, retarde la tension appliquée de 90°.

Supposons que l'enroulement primaire d'un transformateur soit soudainement connecté à une source de tension alternative au moment précis où la tension instantanée est à sa valeur crête positive.

Pour que le transformateur crée une chute de tension opposée pour s'équilibrer par rapport à cette tension de source appliquée, un flux magnétique de valeur augmentant rapidement doit être généré. Le résultat est que le courant d'enroulement augmente rapidement, mais en fait pas plus rapidement que dans des conditions normales :

Connexion du transformateur à la ligne au pic de tension alternative :le flux augmente rapidement à partir de zéro, comme le fonctionnement en régime permanent.

Le flux de noyau et le courant de bobine commencent à partir de zéro et s'accumulent jusqu'aux mêmes valeurs de crête rencontrées pendant le fonctionnement continu. Ainsi, il n'y a pas de « surtension » ou « d'appel » ou de courant dans ce scénario.

Alternativement, considérons ce qui se passe si la connexion du transformateur à la source de tension alternative se produit au moment exact où la tension instantanée est à zéro.

Pendant le fonctionnement continu (lorsque le transformateur a été alimenté pendant un certain temps), c'est le moment où le flux et le courant d'enroulement sont à leurs pics négatifs, connaissant un taux de variation nul (dΦ/dt =0 et di/ dt =0).

Au fur et à mesure que la tension atteint son pic positif, les formes d'onde de flux et de courant atteignent leurs taux de variation positifs maximum, et augmentent jusqu'à leurs pics positifs lorsque la tension descend à un niveau de zéro :

Démarrer à e=0 V n'est pas la même chose que de fonctionner en continu dans la figure ci-dessus. Ces formes d'onde attendues sont incorrectes - Φ et je devrais commencer à zéro.

Une différence significative existe cependant entre le fonctionnement en mode continu et la condition de démarrage soudain supposée dans ce scénario :en fonctionnement continu, les niveaux de flux et de courant étaient à leurs pics négatifs lorsque la tension était à ses points zéro; dans un transformateur qui est resté inactif, cependant, le flux magnétique et le courant d'enroulement devraient commencer à zéro .

Lorsque le flux magnétique augmente en réponse à une tension croissante, il augmentera de zéro vers le haut, et non à partir d'une condition précédemment négative (magnétisée) comme nous l'aurions normalement dans un transformateur qui a été alimenté pendant un certain temps.

Ainsi, dans un transformateur qui vient juste de « démarrer », le flux atteindra environ le double de son amplitude de crête normale car il « intègre » la zone sous le premier demi-cycle de la forme d'onde de tension :

À partir de e=0 V, Φ démarre à la condition initiale Φ=0, augmentant jusqu'à deux fois la valeur normale, en supposant qu'il ne sature pas le noyau.

Dans un transformateur idéal, le courant magnétisant atteindrait également environ le double de sa valeur de crête normale, générant le mmf nécessaire pour créer ce flux supérieur à la normale.

Cependant, la plupart des transformateurs ne sont pas conçus avec une marge suffisante entre les pics de flux normaux et les limites de saturation pour éviter de saturer dans une condition comme celle-ci, et donc le noyau saturera presque certainement pendant ce premier demi-cycle de tension.

Pendant la saturation, des quantités disproportionnées de mmf sont nécessaires pour générer un flux magnétique. Cela signifie que le courant d'enroulement, qui crée le mmf pour provoquer un flux dans le noyau, augmentera de manière disproportionnée jusqu'à une valeur dépassant facilement deux fois son pic normal :

À partir de e=0 V, le courant augmente également jusqu'à deux fois la valeur normale pour un noyau non saturé, ou considérablement plus haut dans le cas (conçu pour) de la saturation.

C'est le mécanisme provoquant un courant d'appel dans l'enroulement primaire d'un transformateur lorsqu'il est connecté à une source de tension alternative. Comme vous pouvez le voir, l'amplitude du courant d'appel dépend fortement de l'heure exacte à laquelle la connexion électrique à la source est établie.

S'il se trouve que le transformateur a un certain magnétisme résiduel dans son noyau au moment de la connexion à la source, l'appel pourrait être encore plus grave. Pour cette raison, les dispositifs de protection contre les surintensités des transformateurs sont généralement du type « à action lente », afin de tolérer de telles surtensions sans ouvrir le circuit.

Chaleur et bruit

En plus des effets électriques indésirables, les transformateurs peuvent également présenter des effets physiques indésirables, le plus notable étant la production de chaleur et de bruit. Le bruit est principalement un effet nuisible, mais la chaleur est un problème potentiellement grave car l'isolation des enroulements sera endommagée si elle surchauffe.

L'échauffement peut être minimisé par une bonne conception, en veillant à ce que le noyau ne s'approche pas des niveaux de saturation, que les courants de Foucault soient minimisés et que les enroulements ne soient pas surchargés ou exploités trop près de l'intensité maximale.

Les gros transformateurs de puissance ont leur noyau et leurs enroulements immergés dans un bain d'huile pour transférer la chaleur et étouffer le bruit, et également pour déplacer l'humidité qui, autrement, compromettrait l'intégrité de l'isolation des enroulements.

Les tubes « radiateurs » de dissipation de chaleur à l'extérieur du boîtier du transformateur fournissent un chemin d'écoulement d'huile par convection pour transférer la chaleur du noyau du transformateur à l'air ambiant :

Les gros transformateurs de puissance sont immergés dans de l'huile isolante dissipatrice de chaleur.

Les transformateurs sans huile ou « secs » sont souvent évalués en termes d'« élévation » maximale de la température de fonctionnement (augmentation de la température au-delà de la température ambiante) selon un système de classes de lettres :A, B, F ou H. Ces codes de lettres sont organisés dans l'ordre de la plus faible tolérance à la chaleur à la plus élevée :

• Classe A : Pas plus de 55° Celsius d'augmentation de la température du bobinage, à une température ambiante de 40° Celsius (maximum).
• Classe B : Pas plus de 80 °C d'augmentation de la température de l'enroulement, à 40 °C (maximum) de température de l'air ambiant.
• Classe F : Pas plus de 115 °C d'augmentation de la température de l'enroulement, à une température de l'air ambiant de 40 °C (maximum).
• Classe H : Pas plus de 150 °C d'augmentation de la température de l'enroulement, à 40 °C (maximum) de la température de l'air ambiant.

Le bruit audible est un effet provenant principalement du phénomène de magnétostriction :le léger changement de longueur présenté par un objet ferromagnétique lorsqu'il est magnétisé.

Le « bourdonnement » familier entendu autour des gros transformateurs de puissance est le son du noyau de fer qui se dilate et se contracte à 120 Hz (le double de la fréquence du système, qui est de 60 Hz aux États-Unis) - un cycle de contraction et de dilatation du noyau pour chaque pic de la forme d'onde du flux magnétique, plus le bruit créé par les forces mécaniques entre les enroulements primaire et secondaire.

Encore une fois, le maintien de faibles niveaux de flux magnétique dans le noyau est la clé pour minimiser cet effet, ce qui explique pourquoi les transformateurs ferrorésonants, qui doivent fonctionner en saturation pour une grande partie de la forme d'onde du courant, fonctionnent à la fois chaud et bruyant.

Pertes dues aux forces magnétiques d'enroulement

Un autre phénomène produisant du bruit dans les transformateurs de puissance est la force de réaction physique entre les enroulements primaire et secondaire lorsqu'ils sont fortement chargés.

Si l'enroulement secondaire est en circuit ouvert, il n'y aura pas de courant à travers lui, et par conséquent, aucune force magnéto-motrice (mmf) produite par celui-ci. Cependant, lorsque le secondaire est « chargé » (actuellement alimenté à une charge), l'enroulement génère un mmf, qui est contrecarré par un mmf « réfléchi » dans l'enroulement primaire pour empêcher les niveaux de flux de noyau de changer.

Ces mmf opposés générés entre les enroulements primaire et secondaire en raison du courant secondaire (de charge) produisent une force physique répulsive entre les enroulements qui aura tendance à les faire vibrer.

Les concepteurs de transformateurs doivent tenir compte de ces forces physiques dans la construction des bobines d'enroulement, pour s'assurer qu'il existe un support mécanique adéquat pour gérer les contraintes. Cependant, dans des conditions de charge élevée (courant élevé), ces contraintes peuvent être suffisamment importantes pour provoquer un bruit audible provenant du transformateur.

AVIS :

• Les transformateurs de puissance sont limités dans la quantité de puissance qu'ils peuvent transférer des enroulements primaires aux enroulements secondaires. Les grandes unités sont généralement évaluées en VA (voltampères) ou en kVA (kilovoltampères).
• La résistance dans les enroulements du transformateur contribue à l'inefficacité, car le courant dissipera la chaleur, gaspillant de l'énergie.
• Les effets magnétiques dans le noyau de fer d'un transformateur contribuent également à l'inefficacité. Parmi les effets se trouvent les courants de Foucault (courants d'induction circulant dans le noyau de fer) et hystérésis (perte de puissance due au dépassement de la tendance du fer à magnétiser dans une direction particulière).
• L'augmentation de la fréquence entraîne une augmentation des pertes de puissance dans un transformateur de puissance. La présence d'harmoniques dans un système d'alimentation est une source de fréquences nettement plus élevées que la normale, ce qui peut provoquer une surchauffe dans les gros transformateurs.
• Les transformateurs et les inductances abritent certaines quantités inévitables de capacité en raison de l'isolation des fils (diélectrique) séparant les spires du noyau de fer et les unes des autres. Cette capacité peut être suffisamment importante pour donner au transformateur une fréquence de résonance naturelle , ce qui peut être problématique dans les applications de signal.
• Inductance de fuite est causé par le flux magnétique qui n'est pas couplé à 100 % entre les enroulements d'un transformateur. Tout flux non impliqué dans le transfert l'énergie d'un enroulement à un autre va stocker et libérer de l'énergie, c'est ainsi que fonctionne l'(auto-)inductance. L'inductance de fuite a tendance à aggraver la régulation de la tension d'un transformateur (la tension secondaire "s'affaisse" davantage pour une quantité donnée de courant de charge).
• Saturation magnétique d'un noyau de transformateur peut être causé par une tension primaire excessive, un fonctionnement à une fréquence trop basse et/ou par la présence d'un courant continu dans l'un des enroulements. La saturation peut être minimisée ou évitée par une conception prudente, qui fournit une marge de sécurité adéquate entre les valeurs de densité de flux magnétique de pointe et les limites de saturation du noyau.
• Les transformateurs subissent souvent des courants d'appel importants lorsqu'il est initialement connecté à une source de tension alternative. Le courant d'appel est le plus important lorsque la connexion à la source CA est établie au moment où la tension instantanée de la source est nulle.
• Le bruit est un phénomène courant présenté par les transformateurs, en particulier les transformateurs de puissance, et est principalement causé par la magnétostriction du noyau. Les forces physiques provoquant des vibrations d'enroulement peuvent également générer du bruit dans des conditions de charge d'enroulement secondaire élevée (courant élevé).