Pourquoi les transformateurs échouent en courant continu : les risques expliqués

Que se passe-t-il lorsque le primaire d'un transformateur est connecté à une source CC ?

Un transformateur est un dispositif qui élève ou abaisse le niveau de courant ou de tension alternative sans changer la fréquence primaire (c.-à-d. la source d'entrée).

Un transformateur ne fonctionne qu'en courant alternatif et ne peut pas être utilisé en courant continu : il a été conçu pour fonctionner exclusivement avec du courant et de la tension alternatifs. Pour comprendre ce qui se produit si l'on connecte une source CC au primaire d'un transformateur, examinons les exemples suivants où nous connectons d'abord un transformateur au courant alternatif, puis au courant continu.

Transformateur connecté à une alimentation CA

Supposons que nous connectons un transformateur à une alimentation CA avec les données suivantes :

• Tension primaire = V₁ = 230 V
• Résistance = R₁ = 10 Ω
• Inductance = L = 0,4 H
• Fréquence source = 50 Hz

Voyons combien de courant circulera dans le primaire du transformateur en cas de courant alternatif.

Nous savons que la résistance en CA = Impédance

Impédance = Z = V / I en Ω

Où Z = √ (R² + X_L)² dans le cas d'un circuit inductif.

X_L = 2πfL

X_L = 2 × 3,1415 × 50 Hz × 0,4 H

X_L = 125,67 Ω

Maintenant pour l'impédance :

Z = √ (R² + X_L)²

En insérant les valeurs :

Z = √ (10² Ω + 125,67² Ω)

Z = 126,1 Ω

Maintenant le courant dans le primaire :

I = V / Z

I = 230 V / 126,1 Ω = 1,82 A

Le courant primaire en cas de CA = 1,82 A

Transformateur connecté à une alimentation CC

Maintenant, connectons le même transformateur à une tension continue et voyons ce qui se passe.

Nous savons qu'il n'y a pas de fréquence en courant continu, c.-à-d. f = 0. Par conséquent, la réactance inductive X_L serait nulle si l'on met f = 0 dans la formule X_L = 2πfL.

Ainsi, le courant dans le primaire d'un transformateur en cas de source CC :

I = V / R

I = 230 V / 10 Ω

I = 23 A.

Le courant primaire en cas de CC = 23 A

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Le calcul ci-dessus montre qu'un courant excessif circulera dans le primaire d'un transformateur en cas d'alimentation CC, ce qui brûlera les bobines primaires. Ce n'est pas la seule raison : comme le courant sera continu, voyons ce qui se passe en cas de courant d'état stable dans le transformateur.

Si le primaire d'un transformateur est connecté à une alimentation CC, le primaire tirera un courant constant et produira donc un flux constant. Par conséquent, aucune force électromotrice de retour ne sera produite. L'enroulement primaire absorbera un courant excessif en raison de la faible résistance du primaire, car nous savons que la réactance inductive (X_L) est nulle due à la formule de la réactance inductive (X_L = 2πfL) où la fréquence de la source CC est nulle. Le résultat est que l'enroulement primaire surchauffera et brûlera, ou que le fusible et le disjoncteur sauteront. Il faut veiller à ne pas connecter le primaire d'un transformateur à une alimentation CC.

Pourquoi un transformateur ne peut-il pas fonctionner en courant continu au lieu du courant alternatif ?

Si nous appliquons une tension ou un courant continu au primaire d'un transformateur, voici les résultats :

Nous savons que :

v = L (di/dt)

Où :

• v = Tension instantanée aux bornes des bobines primaires
• L = Inductance de l'inducteur
• di/dt = Taux instantané de variation du courant en A/s

Dans ce cas, la tension est constante, c.-à-d. continue. Le courant (i) augmentera rapidement jusqu'à ce que le noyau en fer du transformateur soit saturé.

À ce stade, le courant (i) augmentera jusqu'à un niveau dangereux et cessera de varier. Lorsqu'il n'y a plus de variation de courant (i), la tension induite dans le primaire sera nulle car di/dt = 0, ce qui entraîne un court-circuit de l'enroulement du transformateur avec la source CC appliquée.

Lorsque le courant dépasse le niveau de sécurité, une perte de puissance élevée se produira selon P = I²R, ce qui fera monter la température à un niveau dangereux et il y a risque d'explosion du transformateur et d'incendie de l'huile de transformateur.

Examinons aussi selon la deuxième loi de Faraday :

e = N dΦ / dt

Où :

• e = FEM induite
• N = nombre de spires
• dΦ = Variation de flux
• dt = Variation de temps

En cas de tension continue appliquée au transformateur, il y aurait un flux constant (Φ) induit dans le primaire en raison du courant constant.

La FEM induite dans le primaire sera nulle car (dΦ/dt = 0), c.-à-d. e = N dΦ/dt = 0 en raison du flux constant induit par le courant constant.

Nous savons aussi qu'il n'y a pas de fréquence en alimentation CC et que le flux est inversement proportionnel à la fréquence (Φ = V / f), ce qui sature le noyau du transformateur.

Cela signifie que le primaire du transformateur agira comme un chemin de court-circuit pour le courant CC supplémentaire, ce qui peut faire sauter l'ensemble du transformateur. C'est la raison exacte pour laquelle nous ne devrions pas connecter un transformateur à une alimentation CC au lieu du courant alternatif.

Sous quelle condition l'alimentation CC peut-elle être appliquée en toute sécurité au primaire d'un transformateur ?

Dans la plupart des cas, c'est une question d'entretien d'ingénierie électrique et électronique, alors voyons comment connecter un transformateur à une alimentation CC.

Il y a deux conditions où nous pouvons connecter un transformateur au courant continu :

• Courant continu pulsé en entrée
• Haute résistance en série avec l'enroulement primaire

Courant continu pulsé dans le transformateur

Dans cette méthode, un courant continu pulsé (qui contient des ondulations et n'est pas une forme pure de courant d'état stable) est appliqué au côté primaire d'un transformateur. Dans ce cas, le cycle négatif réinitialise le flux et l'intégrale temporelle de la tension est nulle sur un cycle complet, ce qui aide à réinitialiser le flux dans l'enroulement. Ce concept est utilisé dans les alimentations à découpage (SMPS).

Résistance élevée en série avec le transformateur

Comme nous savons qu'un transformateur ne fonctionne qu'en courant alternatif. En cas d'alimentation CC, le primaire d'un transformateur peut commencer à fumer et à brûler. Mais il existe un moyen de faire fonctionner un transformateur en CC (bien que le circuit soit inutile sans sortie) en ajoutant une résistance de haute valeur en série avec le primaire du transformateur.

Lorsque l'enroulement primaire d'un transformateur doit être connecté à une alimentation CC, une résistance élevée est connectée en série avec le primaire. Cette résistance en série limite le courant primaire à une valeur CC sûre et empêche ainsi le primaire de brûler.

Veuillez noter qu'il ne faut pas connecter un transformateur à une alimentation CC sans résistance élevée en série avec le primaire. Car il n'y a pas de fréquence en CC et l'impédance (Z) de l'inducteur est nulle. Si vous mettez Z = 0 dans I = V/Z, le courant sera trop élevé, c.-à-d. que l'inducteur agit comme un court-circuit pour la tension et les courants CC.