Construction du transformateur

Ce circuit magnétique, connu plus communément sous le nom de « noyau de transformateur » est conçu pour fournir un chemin autour duquel le champ magnétique peut circuler, ce qui est nécessaire pour l’induction de la tension entre les deux enroulements.

Cependant, ce type de construction de transformateur où les deux enroulements sont enroulés sur des membres séparés n’est pas très efficace puisque les enroulements primaires et secondaires sont bien séparés les uns des autres. Il en résulte un faible couplage magnétique entre les deux enroulements ainsi qu’une grande quantité de fuites de flux magnétique du transformateur lui-même. Mais en plus de cette construction en forme de « O », il existe différents types de « construction de transformateur » et de conceptions disponibles qui sont utilisés pour surmonter ces inefficacités produisant un transformateur plus petit et plus compact.

L’efficacité d’une construction de transformateur simple peut être améliorée en mettant les deux enroulements en contact étroit l’un avec l’autre améliorant ainsi le couplage magnétique. L’augmentation et la concentration du circuit magnétique autour des bobines peuvent améliorer le couplage magnétique entre les deux enroulements, mais elles ont aussi pour effet d’augmenter les pertes magnétiques du noyau du transformateur.

En plus de fournir un chemin à faible réluctance pour le champ magnétique, le noyau est conçu pour empêcher les courants électriques circulants dans le noyau de fer lui-même. Les courants circulants, appelés « courants de Foucault », provoquent un échauffement et des pertes d’énergie à l’intérieur du noyau diminuant l’efficacité des transformateurs.

Ces pertes sont principalement dues aux tensions induites dans le circuit de fer, qui est constamment soumis aux champs magnétiques alternatifs configurés par la tension d’alimentation sinusoïdale externe. Une façon de réduire ces pertes de puissance indésirables est de construire le noyau du transformateur à partir de fines laminations d’acier.

Dans tous les types de construction de transformateurs, le noyau central en fer est construit à partir d’un matériau hautement perméable constitué de fines laminations d’acier au silicium. Ces minces laminations sont assemblées entre elles pour fournir le chemin magnétique requis avec le minimum de pertes magnétiques. La résistivité de la feuille d’acier elle-même est élevée, ce qui réduit toute perte par courants de Foucault en rendant les laminations très minces.

Ces laminations de transformateur en acier varient en épaisseur’s entre 0,25mm et 0,5mm et comme l’acier est un conducteur, les laminations et tous les goujons, rivets ou boulons de fixation sont isolés électriquement les uns des autres par une très fine couche de vernis isolant ou par l’utilisation d’une couche d’oxyde sur la surface.

Construction du noyau du transformateur

Généralement, le nom associé à la construction d’un transformateur dépend de la façon dont les enroulements primaires et secondaires sont enroulés autour du noyau central en acier laminé. Les deux conceptions les plus communes et de base de la construction d’un transformateur sont le transformateur à noyau fermé et le transformateur à noyau en coquille.

Dans le transformateur de type « à noyau fermé » (forme de noyau), les enroulements primaires et secondaires sont enroulés à l’extérieur et entourent l’anneau du noyau. Dans le transformateur de type « à coquille » (forme de coquille), les enroulements primaires et secondaires passent à l’intérieur du circuit magnétique en acier (noyau) qui forme une coquille autour des enroulements comme indiqué ci-dessous.

Construction du noyau du transformateur

Dans les deux types de conception du noyau du transformateur, le flux magnétique reliant les enroulements primaires et secondaires se déplace entièrement à l’intérieur du noyau sans perte de flux magnétique à travers l’air. Dans la construction du transformateur de type noyau, une moitié de chaque enroulement est enroulée autour de chaque jambe (ou membre) du circuit magnétique des transformateurs comme indiqué ci-dessus.

Les bobines ne sont pas disposées avec l’enroulement primaire sur une jambe et le secondaire sur l’autre, mais au lieu de cela, la moitié de l’enroulement primaire et la moitié de l’enroulement secondaire sont placées l’une sur l’autre concentriquement sur chaque jambe afin d’augmenter le couplage magnétique permettant à pratiquement toutes les lignes de force magnétique de passer par les enroulements primaires et secondaires en même temps. Cependant, avec ce type de construction de transformateur, un petit pourcentage des lignes de force magnétiques circule à l’extérieur du noyau, et ceci est appelé « flux de fuite ».

Les noyaux de transformateur de type coque surmontent ce flux de fuite car les deux enroulements primaires et secondaires sont enroulés sur la même jambe ou branche centrale qui a deux fois la surface de section transversale des deux branches extérieures. L’avantage ici est que le flux magnétique a deux chemins magnétiques fermés pour circuler autour de l’extérieur des bobines sur les côtés gauche et droit avant de revenir aux bobines centrales.

Cela signifie que le flux magnétique circulant autour des membres extérieurs de ce type de construction de transformateur est égal à Φ/2. Comme le flux magnétique a un chemin fermé autour des bobines, cela a l’avantage de diminuer les pertes dans le noyau et d’augmenter le rendement global.

Transformateurs laminés

Mais vous vous demandez peut-être comment les enroulements primaires et secondaires sont enroulés autour de ces noyaux laminés en fer ou en acier pour ce type de constructions de transformateurs. Les bobines sont d’abord enroulées sur une forme qui a une section transversale de type cylindrique, rectangulaire ou ovale pour convenir à la construction du noyau laminé. Dans les constructions de transformateur de type coque et noyau, afin de monter les enroulements de bobine, les laminations individuelles sont estampées ou poinçonnées à partir de plus grandes feuilles d’acier et formées en bandes d’acier mince ressemblant aux lettres « E », « L », « U » et « I » comme indiqué ci-dessous.

Transformer Core Types

Ces estampages de laminage lorsqu’ils sont connectés ensemble forment la forme de noyau requise. Par exemple, deux estampages « E » plus deux estampages « I » de fermeture d’extrémité pour donner un noyau E-I formant un élément d’un noyau de transformateur standard de type coque. Ces laminations individuelles sont étroitement aboutées pendant la construction des transformateurs pour réduire la réluctance de l’entrefer aux joints produisant une densité de flux magnétique hautement saturée.

Les laminations du noyau de transformateur sont généralement empilées alternativement les unes sur les autres pour produire un joint de chevauchement, d’autres paires de laminations étant ajoutées pour constituer l’épaisseur correcte du noyau. Cet empilement alterné des laminations donne également au transformateur l’avantage de réduire les fuites de flux et les pertes dans le fer. La construction de transformateur laminé à noyau E-I est surtout utilisée dans les transformateurs d’isolement, les transformateurs élévateurs et abaisseurs ainsi que les transformateurs automobiles.

Dispositions des enroulements du transformateur

Les enroulements du transformateur constituent une autre partie importante de la construction d’un transformateur, car ils sont les principaux conducteurs porteurs de courant enroulés autour des sections laminées du noyau. Dans un transformateur monophasé à deux enroulements, deux enroulements seraient présents comme indiqué. Celui qui est connecté à la source de tension et crée le flux magnétique appelé enroulement primaire, et le second enroulement appelé secondaire dans lequel une tension est induite en raison de l’induction mutuelle.

Si la tension de sortie secondaire est inférieure à celle de la tension d’entrée primaire, le transformateur est connu comme un « transformateur abaisseur ». Si la tension de sortie secondaire est supérieure à celle de la tension d’entrée primaire, il est appelé « transformateur élévateur ».

Le type de fil utilisé comme principal conducteur de courant dans un enroulement de transformateur est soit en cuivre, soit en aluminium. Alors que le fil d’aluminium est plus léger et généralement moins cher que le fil de cuivre, une plus grande section transversale de conducteur doit être utilisée pour transporter la même quantité de courant qu’avec le cuivre, de sorte qu’il est utilisé principalement dans les applications de transformateurs de puissance plus grands.

Les petits transformateurs de puissance et de tension kVA utilisés dans les circuits électriques et électroniques à basse tension ont tendance à utiliser des conducteurs en cuivre car ceux-ci ont une résistance mécanique plus élevée et une taille de conducteur plus petite que les types d’aluminium équivalents. L’inconvénient est que lorsqu’ils sont complets avec leur noyau, ces transformateurs sont beaucoup plus lourds.

Les enroulements et les bobines des transformateurs peuvent être largement classés en bobines concentriques et bobines en sandwich. Dans la construction d’un transformateur de type noyau, les enroulements sont généralement disposés concentriquement autour de la branche du noyau, comme illustré ci-dessus, l’enroulement primaire à tension plus élevée étant enroulé sur l’enroulement secondaire à tension plus faible.

Les bobines en sandwich ou « pancake » sont constituées de conducteurs plats enroulés en spirale et sont ainsi nommées en raison de la disposition des conducteurs en disques. Les disques alternés sont disposés en spirale de l’extérieur vers le centre selon une disposition entrelacée, les bobines individuelles étant empilées et séparées par des matériaux isolants tels que du papier ou une feuille de plastique. Les bobines et les enroulements sandwich sont plus courants avec la construction de noyau de type coquille.

Les enroulements hélicoïdaux également connus sous le nom d’enroulements à vis sont un autre arrangement de bobine cylindrique très commun utilisé dans les applications de transformateur de courant élevé à basse tension. Les enroulements sont constitués de conducteurs rectangulaires de grande section enroulés sur son côté avec les brins isolés enroulés en parallèle de façon continue sur la longueur du cylindre, avec des entretoises appropriées insérées entre les tours ou disques adjacents pour minimiser les courants de circulation entre les brins parallèles. La bobine progresse vers l’extérieur sous la forme d’une hélice ressemblant à celle d’un tire-bouchon.

L’isolation utilisée pour empêcher les conducteurs de se court-circuiter dans un transformateur est généralement une fine couche de vernis ou d’émail dans les transformateurs refroidis par air. Ce mince vernis ou émail est peint sur le fil avant qu’il ne soit enroulé autour du noyau.

Dans les transformateurs de puissance et de distribution plus importants, les conducteurs sont isolés les uns des autres à l’aide de papier ou de tissu imprégné d’huile. L’ensemble du noyau et des enroulements est immergé et scellé dans une cuve de protection contenant de l’huile pour transformateur. L’huile de transformateur agit comme un isolant et aussi comme un liquide de refroidissement.

Orientation des points du transformateur

Nous ne pouvons pas simplement prendre un noyau laminé et enrouler une des configurations de bobines autour. Nous pourrions mais nous pourrions constater que la tension et le courant secondaires sont déphasés par rapport à ceux du primaire. Les deux bobines ont une orientation distincte l’une par rapport à l’autre. L’une ou l’autre bobine pourrait être enroulée autour du noyau dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse, alors pour garder la trace de leurs orientations relatives, des « points » sont utilisés pour identifier une extrémité donnée de chaque enroulement.

Cette méthode d’identification de l’orientation ou de la direction des enroulements d’un transformateur est appelée la « convention des points ». Ensuite, les enroulements d’un transformateur sont enroulés de sorte que les relations de phase correctes existent entre les tensions d’enroulement, la polarité des transformateurs étant définie comme la polarité relative de la tension secondaire par rapport à la tension primaire, comme indiqué ci-dessous.

Construction d’un transformateur en utilisant l’orientation des points

Le premier transformateur montre ses deux « points » côte à côte sur les deux enroulements. Le courant sortant du point secondaire est « en phase » avec le courant entrant dans le point côté primaire. Ainsi, les polarités des tensions aux extrémités du point sont également en phase, de sorte que lorsque la tension est positive à l’extrémité du point de la bobine primaire, la tension aux bornes de la bobine secondaire est également positive à l’extrémité du point.

Le deuxième transformateur montre les deux points aux extrémités opposées des enroulements, ce qui signifie que les enroulements des bobines primaire et secondaire des transformateurs sont enroulés dans des directions opposées. Le résultat de ceci est que le courant sortant du point secondaire est 180o « hors-phase » avec le courant entrant dans le point primaire. Ainsi, les polarités des tensions aux extrémités des points sont également déphasées, de sorte que lorsque la tension est positive à l’extrémité des points de la bobine primaire, la tension aux bornes de la bobine secondaire correspondante sera négative.

Alors, la construction d’un transformateur peut être telle que la tension secondaire peut être soit « en phase », soit « déphasée » par rapport à la tension primaire. Dans les transformateurs qui ont un certain nombre d’enroulements secondaires différents, dont chacun est électriquement isolé des autres, il est important de connaître la polarité de point des enroulements secondaires de sorte qu’ils peuvent être connectés ensemble dans des configurations d’aide à la série (la tension secondaire est additionnée) ou d’opposition à la série (la tension secondaire est la différence).

La capacité d’ajuster le rapport de transformation d’un transformateur est souvent souhaitable pour compenser les effets des variations de la tension d’alimentation primaire, la régulation du transformateur ou les conditions de charge variables. Le contrôle de la tension du transformateur est généralement effectué en changeant le rapport des tours et donc son rapport de tension, une partie de l’enroulement primaire du côté haute tension étant prélevée pour permettre un ajustement facile. La prise est préférée du côté haute tension car les volts par tour sont plus faibles que du côté secondaire basse tension.

Changements de prise primaire de transformateur

Dans cet exemple simple, les changements de prise primaire sont calculés pour un changement de tension d’alimentation de ±5%, mais toute valeur peut être choisie. Certains transformateurs peuvent avoir deux ou plusieurs enroulements primaires ou deux ou plusieurs enroulements secondaires pour une utilisation dans différentes applications fournissant différentes tensions à partir d’un seul noyau.

Pertes dans le noyau du transformateur

La capacité du fer ou de l’acier à transporter un flux magnétique est beaucoup plus grande que dans l’air, et cette capacité à permettre au flux magnétique de circuler est appelée perméabilité. La plupart des noyaux de transformateurs sont construits à partir d’aciers à faible teneur en carbone qui peuvent avoir des perméabilités de l’ordre de 1500 contre seulement 1,0 pour l’air.

Cela signifie qu’un noyau laminé en acier peut transporter un flux magnétique 1500 fois mieux que celui de l’air. Cependant, lorsqu’un flux magnétique circule dans un noyau d’acier de transformateur, deux types de pertes se produisent dans l’acier. L’un appelé « pertes par courants de Foucault » et l’autre appelé « pertes par hystérésis ».

Pertes par hystérésis

Les pertes par hystérésis des transformateurs sont dues au frottement des molécules contre le flux des lignes de force magnétiques nécessaires à la magnétisation du noyau, qui changent constamment de valeur et de direction d’abord dans un sens puis dans l’autre sous l’influence de la tension d’alimentation sinusoïdale.

Cette friction moléculaire provoque un développement de chaleur qui représente une perte d’énergie pour le transformateur. Une perte de chaleur excessive peut réduire à l’excès la durée de vie des matériaux isolants utilisés dans la fabrication des enroulements et des structures. Par conséquent, le refroidissement d’un transformateur est important.

De plus, les transformateurs sont conçus pour fonctionner à une fréquence d’alimentation particulière. La diminution de la fréquence de l’alimentation entraînera une augmentation de l’hystérésis et une température plus élevée dans le noyau de fer. Ainsi, la réduction de la fréquence d’alimentation de 60 Hertz à 50 Hertz augmentera la quantité d’hystérésis présente, diminuera la capacité VA du transformateur.

Pertes par courant de Foucault

Les pertes par courant de Foucault du transformateur, d’autre part, sont causées par le flux de courants circulants induits dans l’acier causé par le flux du flux magnétique autour du noyau. Ces courants de circulation sont générés par le flux magnétique, le noyau agissant comme une simple boucle de fil. Comme le noyau de fer est un bon conducteur, les courants de Foucault induits par un noyau de fer solide seront importants.

Les courants de Foucault ne contribuent en rien à l’utilité du transformateur mais au contraire ils s’opposent au flux du courant induit en agissant comme une force négative générant un échauffement résistif et une perte de puissance à l’intérieur du noyau.

Laminage du noyau de fer

Les pertes par courants de Foucault au sein d’un noyau de transformateur ne peuvent pas être éliminées complètement, mais elles peuvent être grandement réduites et contrôlées en réduisant l’épaisseur du noyau d’acier. Au lieu d’avoir un grand noyau de fer solide comme matériau du noyau magnétique du transformateur ou de la bobine, le chemin magnétique est divisé en de nombreuses formes minces en acier pressé appelées « laminations ».

Les laminations utilisées dans la construction d’un transformateur sont des bandes très minces de métal isolé jointes ensemble pour produire un noyau solide mais laminé comme nous l’avons vu ci-dessus. Ces laminations sont isolées les unes des autres par une couche de vernis ou de papier pour augmenter la résistivité effective du noyau, augmentant ainsi la résistance globale pour limiter le flux des courants de Foucault.

Le résultat de toute cette isolation est que la perte de puissance induite indésirable par les courants de Foucault dans le noyau est grandement réduite, et c’est pour cette raison que le circuit de fer magnétique de chaque transformateur et autres machines électro-magnétiques sont tous laminés. L’utilisation de laminages dans la construction d’un transformateur réduit les pertes par courants de Foucault.

Les pertes d’énergie, qui apparaissent sous forme de chaleur en raison à la fois de l’hystérésis et des courants de Foucault dans le chemin magnétique, sont connues communément sous le nom de « pertes dans le noyau du transformateur ». Puisque ces pertes se produisent dans tous les matériaux magnétiques à la suite de champs magnétiques alternatifs. Les pertes dans le noyau du transformateur sont toujours présentes dans un transformateur lorsque le primaire est alimenté, même si aucune charge n’est connectée à l’enroulement secondaire. Aussi ces pertes par hystérésis et par courants de Foucault sont parfois appelées « pertes dans le fer du transformateur », car le flux magnétique causant ces pertes est constant à toutes les charges.

Pertes dans le cuivre

Mais il y a aussi un autre type de perte d’énergie associé aux transformateurs appelé « pertes dans le cuivre ». Les pertes de cuivre des transformateurs sont principalement dues à la résistance électrique des enroulements primaires et secondaires. La plupart des bobines des transformateurs sont constituées de fils de cuivre qui présentent une résistance en Ohms, ( Ω ). Cette résistance s’oppose aux courants magnétisants qui les traversent.

Lorsqu’une charge est connectée à l’enroulement secondaire des transformateurs, de grands courants électriques circulent dans les enroulements primaire et secondaire, des pertes d’énergie et de puissance électriques ( ou le I2 R ) se produisent sous forme de chaleur. Généralement, les pertes de cuivre varient avec le courant de charge, étant presque nulles à vide, et à un maximum à pleine charge lorsque le flux de courant est maximal.

Une valeur nominale VA de transformateur peut être augmentée par une meilleure conception et construction du transformateur pour réduire ces pertes de noyau et de cuivre. Les transformateurs à tension et courant nominaux élevés nécessitent des conducteurs de grande section pour aider à minimiser leurs pertes en cuivre. L’augmentation du taux de dissipation de la chaleur (meilleur refroidissement) par air forcé ou par huile, ou l’amélioration de l’isolation des transformateurs pour qu’ils résistent à des températures plus élevées peuvent également augmenter la valeur nominale VA d’un transformateur.

Alors on peut définir un transformateur idéal comme ayant :

• Pas de boucles d’hystérésis ou de pertes par hystérésis → 0
• Résistivité infinie du matériau du noyau donnant des pertes par courants de Foucault nulles → 0
• Résistance nulle de l’enroulement donnant des pertes en cuivre I2*R nulles → 0

Dans le prochain tutoriel sur les transformateurs, nous examinerons la charge du transformateur de l’enroulement secondaire par rapport à une charge électrique et nous verrons l’effet d’une  » NO-load » et un transformateur connecté « ON-load » a sur le courant de l’enroulement primaire.