Bases du transformateur

Les transformateurs sont généralement des dispositifs capables de convertir des quantités d'une valeur à l'autre. Pour cet article, nous nous concentrerons sur le transformateur de tension qui est un composant électrique statique capable de convertir la tension alternative d'une valeur à l'autre sans changer la fréquence en utilisant les principes de l'induction électromagnétique.

Dans l'un de nos précédents articles sur le courant alternatif, nous avons mentionné l'importance du transformateur dans l'histoire du courant alternatif. C'était le principal catalyseur qui a rendu possible le courant alternatif. Au départ, lorsque des systèmes à courant continu étaient utilisés, ils ne pouvaient pas être transférés sur de longues distances en raison de la perte de puissance dans les lignes à mesure que la distance (longueur) augmentait, ce qui signifie que les centrales électriques en courant continu devaient être placées partout, donc l'objectif principal du courant alternatif était pour résoudre le problème de transmission et sans le transformateur, cela n'aurait pas été possible car les pertes auraient toujours existé même avec AC.

Avec le transformateur en place, le courant alternatif pourrait être transmis des centrales électriques à une tension très élevée mais à faible courant, ce qui élimine les pertes dans la ligne (fils) dues à la valeur de I ² R (qui donne la perte de puissance dans une ligne). Le transformateur est ensuite utilisé pour convertir l'énergie haute tension et faible courant en énergie basse tension et courant élevé pour une distribution finale au sein d'une communauté sans changer la fréquence et à la même puissance qui a été transmise par la centrale (P = IV).

Pour mieux comprendre le transformateur de tension, il est préférable d'utiliser son modèle le plus simplifié qui est le transformateur monophasé.

Transformateur monophasé

Le transformateur monophasé est le type de transformateur de tension le plus courant (en termes de nombre d'utilisation). Il est présent dans la plupart des appareils «branchés» que nous utilisons à la maison et partout ailleurs.

Il est utilisé pour décrire le principe de fonctionnement, la construction, etc. d'un transformateur car les autres transformateurs sont comme une variation ou une modification du transformateur monophasé. Par exemple, certaines personnes se réfèrent au transformateur triphasé comme étant composé de 3 transformateurs monophasés.

Le transformateur monophasé est composé de deux bobines / enroulement (la bobine primaire et la bobine secondaire). Ces deux enroulements sont agencés de manière à ce qu'il n'existe aucune connexion électrique entre eux, ils sont donc enroulés autour d'un fer magnétique commun généralement appelé noyau du transformateur, ainsi les deux bobines n'ont qu'une connexion magnétique entre elles. Cela garantit que la puissance est transmise uniquement via l'induction électromagnétique et rend également les transformateurs utiles pour isoler les connexions.

Principe de fonctionnement du transformateur:

Comme mentionné précédemment, le transformateur se compose de deux bobines; les bobines primaire et secondaire. La bobine primaire représente toujours l'entrée du transformateur tandis que la bobine secondaire, la sortie du transformateur.

Deux effets principaux définissent le fonctionnement du transformateur:

Le premier est que, un courant circulant à travers un fil crée un champ magnétique autour du fil. L'amplitude du champ magnétique résultant est toujours directement proportionnelle à la quantité de courant traversant le fil. L'amplitude du champ magnétique est augmentée si le fil est enroulé en une forme de bobine. C'est le principe avec lequel le magnétisme est induit par la bobine primaire. En appliquant une tension à la bobine primaire, il induit un champ magnétique autour du noyau du transformateur.

Le second effet qui, combiné au premier, explique le principe de fonctionnement du transformateur basé sur le fait que, si un conducteur est enroulé autour d'un morceau d'aimant et que le champ magnétique change, le changement de champ magnétique induira un courant dans le conducteur, dont la grandeur sera déterminée par le nombre de tours de la bobine conductrice. C'est le principe avec lequel la bobine secondaire est alimentée.

Lorsqu'une tension est appliquée à la bobine primaire, elle crée un champ magnétique autour du noyau dont la force dépend du courant appliqué. Le champ magnétique créé induit ainsi un courant dans la bobine secondaire qui est fonction de l'amplitude du champ magnétique et du nombre de spires de la bobine secondaire.

Ce principe de fonctionnement du transformateur explique également pourquoi le courant alternatif a dû être inventé car le transformateur ne fonctionnera qu'en cas d'alternance de la tension ou du courant appliqué, car ce n'est qu'alors que les principes d'induction électromagnétique fonctionneront. Ainsi, le transformateur ne pouvait pas être utilisé pour DC alors.

Construction du transformateur

Fondamentalement, un transformateur est composé de deux parties qui comprennent; deux bobines inductives et un noyau en acier laminé. Les bobines sont isolées les unes des autres et également isolées pour éviter tout contact avec le noyau.

La construction du transformateur sera donc examinée sous la construction bobine et noyau.

Noyau du transformateur

Le noyau du transformateur est toujours construit en empilant des tôles d'acier stratifiées ensemble, garantissant un espace d'air minimum entre elles. Le noyau des transformateurs ces derniers temps est toujours composé d'un noyau en acier laminé au lieu de noyaux de fer pour réduire les pertes dues aux courants de Foucault.

Il existe trois formes principales de tôles en acier laminé à choisir, à savoir E, I et L.

Lors de l'empilement des stratifiés pour former l'âme, ils sont toujours empilés de telle sorte que les côtés du joint soient alternés. Par exemple, des feuilles sont assemblées face avant lors du premier assemblage, elles seront face arrière pour le prochain assemblage comme indiqué dans l'image ci-dessous. Ceci est fait pour éviter une forte réticence au niveau des articulations.

Bobine

Lors de la construction d'un transformateur, il devient très important de spécifier le type de transformateur en augmentant ou en descendant, car cela détermine le nombre de tours qui existeront dans la bobine primaire ou secondaire.

Types de transformateurs:

Il existe principalement trois types de transformateurs de tension;

1. Abaissez les transformateurs

2. Transformateurs intensifs

3. Transformateurs d'isolement

Les transformateurs abaisseur sont des transformateurs qui donnent une valeur réduite de la tension appliquée à la bobine primaire au niveau de la bobine secondaire, tandis que pour un transformateur élévateur, le transformateur donne une valeur augmentée de la tension appliquée à la bobine primaire, au secondaire. bobine.

Les transformateurs d'isolement sont des transformateurs qui donnent la même tension appliquée au primaire au secondaire et donc essentiellement utilisés pour isoler les circuits électriques.

D'après l'explication ci-dessus, la création d'un type particulier de transformateur ne peut être réalisée qu'en concevant le nombre de tours dans chacune des bobines primaire et secondaire pour donner la sortie requise, cela peut donc être déterminé par le rapport de tours. Vous pouvez lire le didacticiel lié pour en savoir plus sur les différents types de transformateurs.

Rapport de transformation du transformateur et équation EMF:

Le rapport de tours du transformateur (n) est donné par l'équation;

n = Np / Ns = Vp / Vs

où n = rapport de tours

Np = nombre de tours dans la bobine primaire

Ns = Nombre de tours dans la bobine secondaire

Vp = tension appliquée au primaire

Vs = tension au secondaire

Ces relations décrites ci-dessus peuvent être utilisées pour calculer chacun des paramètres de l'équation.

La formule ci-dessus est connue sous le nom d' action de tension des transformateurs.

Puisque nous l'avons dit, le pouvoir reste le même après transformation alors;

Cette formule ci-dessus est appelée action actuelle du transformateur. Ce qui sert de preuve que le transformateur transforme non seulement la tension, mais aussi le courant.

Équation EMF:

Le nombre de tours de la bobine de la bobine primaire ou secondaire détermine la quantité de courant qu'elle induit ou est induite par elle. Lorsque le courant appliqué au primaire est réduit, l'intensité du champ magnétique est réduite et il en va de même pour le courant induit dans l'enroulement secondaire.

E = N (dΦ / dt)

La quantité de tension induite dans l'enroulement secondaire est donnée par l'équation:

Où N est le nombre de spires de l'enroulement secondaire.

Comme le flux varie de manière sinusoïdale, le flux magnétique Φ = Φ _max sinwt

Donc

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

La valeur quadratique moyenne de la Emf induite est obtenue en divisant la valeur maximale de la force électromotrice par √2

Cette équation est connue sous le nom d' équation EMF des transformateurs.

Où: N est le nombre de tours dans l'enroulement de bobine

f est la fréquence du flux en hertz

Φ est la densité de flux magnétique dans Weber

avec toutes ces valeurs déterminées, le transformateur peut ainsi être construit.

Puissance électrique

Comme expliqué précédemment, les transformateurs ont été créés pour garantir que la valeur de l'énergie électrique générée dans les centrales électriques est fournie aux utilisateurs finaux avec peu ou pas de perte, ainsi dans un transformateur Idéal, la puissance à la sortie (enroulement secondaire) est toujours la même que la puissance d'entrée. Les transformateurs sont donc appelés des dispositifs à puissance constante, bien qu'ils puissent changer les valeurs de tension et de courant, cela est toujours fait de telle manière que la même puissance à l'entrée soit disponible en sortie.

Donc

P _s = P _p

où Ps est la puissance au secondaire et Pp est la puissance au primaire.

Puisque P = IvcosΦ alors I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Efficacité d'un transformateur

L'efficacité d'un transformateur est donnée par l'équation;

Efficacité = (puissance de sortie / puissance d'entrée) * 100%

Alors que la puissance de sortie d'un transformateur Idéal doit être la même que l'entrée d'alimentation, la plupart des transformateurs sont loin du transformateur Idéal et subissent des pertes dues à plusieurs facteurs.

Certaines des pertes que peut subir un transformateur sont énumérées ci-dessous;

1. Pertes de cuivre

2. Pertes par hystérésis

3. Pertes par courants de Foucault

1. Pertes de cuivre

Ces pertes sont parfois appelées pertes de bobinage ou pertes I ² R. Ces pertes sont associées à la puissance dissipée par le conducteur utilisé pour le bobinage lorsque le courant le traverse en raison de la résistance du conducteur. La valeur de cette perte peut être calculée à l'aide de la formule;

P = I ² R

2. Pertes par hystérésis

Il s'agit d'une perte liée à la réticence des matériaux utilisés pour le noyau du transformateur. Lorsque le courant alternatif inverse sa direction, il a un impact sur la structure interne du matériau utilisé pour le noyau car il a tendance à subir des changements physiques qui utilisent également une partie de l'énergie.

3. Pertes par courants de Foucault

Il s'agit d'une perte généralement compensée par l'utilisation de fines feuilles d'acier stratifiées. La perte de courant de Foucault provient du fait que le noyau est également un conducteur et induira une force électromotrice dans la bobine secondaire. Les courants induits dans le noyau selon la loi de Faradays s'opposeront au champ magnétique et conduiront à la dissipation d'énergie.

En tenant compte de l'effet de ces pertes dans les calculs d'efficacité du transformateur, nous avons;

Rendement = (puissance d'entrée - pertes / puissance d'entrée) * 100% Tous les paramètres sont exprimés en unités de puissance.