Comprendre la régulation de tension dans les transformateurs de puissance

Dans les simulations SPICE précédentes, nous avons observé que la tension de sortie d'un transformateur peut varier avec les changements de résistance de charge, même lorsque la tension d'entrée reste constante.

Plusieurs facteurs influencent cette variance, notamment les inductances des enroulements primaire et secondaire, la résistance des enroulements et le degré de couplage magnétique entre les enroulements.

Pour les transformateurs de puissance, l'objectif est de présenter à la charge une tension virtuellement constante. Par conséquent, la tension secondaire doit fluctuer le moins possible sur une large gamme de courants de charge.

Formule de régulation de tension

La régulation de tension mesure l'efficacité avec laquelle un transformateur maintient une tension secondaire stable sur des courants de charge variables. Elle est calculée avec la formule suivante :

Qu'est-ce que la « charge nominale » ?

La « charge nominale » désigne le point où le transformateur fonctionne à son courant secondaire maximal admissible. Ce point de fonctionnement est largement dicté par le calibre du fil des enroulements (ampacité) et la méthode de refroidissement employée.

En utilisant notre première simulation de transformateur SPICE comme exemple, comparons la tension de sortie avec une charge de 1 kΩ versus une charge de 200 Ω (la charge de 200 Ω représentant la charge nominale). Rappelons que la tension primaire est constante à 10,00 V AC :

freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Sortie avec charge 1kΩ
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Sortie avec charge 200Ω

Remarquez que la tension de sortie chute lorsque la charge devient plus lourde (c'est-à-dire que le courant augmente). Pour illustrer une condition proche du vide, nous pouvons remplacer la charge secondaire par une résistance extrêmement élevée :

transformateur v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 100 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 9e12 .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .end

freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 Sortie avec (presque) pas de charge

La tension secondaire varie d'environ 9,990 V à vide à 9,348 V à charge nominale. L'application de ces valeurs à la formule de régulation donne :

Dans cet exemple, la régulation dépasse 3 %, ce qui est considéré comme médiocre pour un transformateur de puissance. Un bon transformateur de puissance devrait présenter un pourcentage de régulation inférieur à 3 % en pilotant une charge purement résistive. Les charges inductives dégradent généralement la régulation, donc cette analyse représente un scénario optimiste.

Applications bénéficiant d'une mauvaise régulation

Certains dispositifs utilisent intentionnellement des transformateurs à mauvaise régulation. Par exemple, les lampes à décharge nécessitent une haute tension initiale pour amorcer l'arc, après quoi la lampe consomme moins de tension. Un transformateur élévateur qui chute naturellement la tension sous charge est idéal ici.

Les postes à souder à l'arc AC utilisent similarly des transformateurs abaisseurs qui fournissent une haute tension pour amorcer l'arc mais comptent sur une tension plus faible une fois l'arc établi. Les concepteurs ajustent souvent le courant d'arc en déplaçant un noyau de fer à l'intérieur ou à l'extérieur du transformateur, ce qui réduit le couplage magnétique, abaisse la tension à vide et dégrade la régulation — exactement l'effet désiré.

Transformateurs ferrorésonnants

Les transformateurs ferrorésonnants sont une classe spéciale de transformateurs de puissance qui fonctionnent avec le noyau dans un état de saturation magnétique persistante. Dans ce régime, les variations de tension primaire produisent des changements minimaux dans la densité de flux du noyau, résultant en une tension secondaire presque constante malgré les fluctuations d'alimentation.

Circuits résonnants dans les transformateurs ferrorésonnants

La saturation du noyau peut distordre la forme d'onde de sortie, mais les transformateurs ferrorésonnants atténuent cela en incorporant un enroulement secondaire auxiliaire associé à un ou plusieurs condensateurs pour former un circuit accordé résonnant à la fréquence d'alimentation. Ce circuit filtre les harmoniques générés par la saturation du noyau et par les charges non-linéaires, tout en stockant de l'énergie pour maintenir la tension de sortie pendant de brèves perturbations d'entrée.

Transformateur ferrorésonnant assurant la régulation de tension de sortie.

Les avantages clés incluent une tension de sortie robuste face aux variations d'entrée, le filtrage harmonique, et la capacité de traverser de courtes interruptions de puissance. Certains designs tolèrent même le fonctionnement en parallèle avec des sources AC non synchronisées, permettant un basculement transparent de source d'alimentation.

Inconvénients connus des transformateurs ferrorésonnants

Ces transformateurs consomment une puissance considérable due aux pertes d'hystérésis dans le noyau saturé, générant une chaleur significative. Ils sont aussi sensibles aux variations de fréquence, limitant leur utilisation avec des générateurs manquant de régulation de vitesse stable. De plus, le circuit résonnant peut produire de hautes tensions, nécessitant des condensateurs coûteux et posant des risques de sécurité pour le personnel de maintenance.

Bien que des solutions de conditionnement de puissance à base de semi-conducteurs existent, elles ne peuvent égaler la simplicité et la rentabilité des transformateurs ferrorésonnants pour de nombreuses applications.

Récapitulatif

• Régulation de tension quantifie la capacité d'un transformateur à maintenir la tension secondaire stable sous charge variable. Des pourcentages plus bas indiquent une meilleure performance.
• Transformateur ferrorésonnant est conçu pour maintenir une tension de sortie stable même avec de grandes variations d'entrée.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices sur les sources d'alimentation régulées
• Fiche d'exercices sur les alimentations AC-DC de base