Comment fonctionnent les transformateurs

Selon la définition donnée dans Wikipédia un transformateur électrique est un équipement stationnaire qui échange de l'énergie électrique à travers deux bobines étroitement enroulées, par induction magnétique.

Un courant en constante évolution dans un enroulement du transformateur génère un flux magnétique variable, qui, par conséquent, induit une force électromotrice variable sur une seconde bobine construite sur le même noyau.

Principe de fonctionnement de base

Les transformateurs fonctionnent essentiellement en transférant l'énergie électrique entre une paire de bobines par induction mutuelle, sans dépendre d'aucune forme de contact direct entre les deux enroulements.

Ce processus de transfert d'électricité par induction a été prouvé pour la première fois par la loi d'induction de Faraday, en 1831. Selon cette loi, la tension induite à travers deux bobines est créée en raison d'un flux magnétique variable entourant la bobine.

La fonction fondamentale d'un transformateur est d'augmenter ou d'abaisser une tension / courant alternatif, dans des proportions différentes selon les exigences de l'application. Les proportions sont décidées par le nombre de tours et le rapport de rotation du bobinage.

Analyse d'un transformateur idéal

Nous pouvons imaginer un transformateur idéal comme une conception hypothétique qui peut être pratiquement sans aucune forme de pertes. De plus, cette conception idéale peut avoir ses enroulements primaire et secondaire parfaitement couplés l'un à l'autre.

Cela signifie que la liaison magnétique entre les deux enroulements se fait à travers un noyau dont la perméabilité magnétique est infinie et avec des inductances d'enroulement à une force magnétomotrice globale nulle.

Nous savons que dans un transformateur, le courant alternatif appliqué dans l'enroulement primaire tente de forcer un flux magnétique variable à l'intérieur du noyau du transformateur, qui comprend également l'enroulement secondaire encerclé autour de lui.

En raison de ce flux variable, une force électromotrice (EMF) est induite sur l'enroulement secondaire par induction électromagnétique. Cela se traduit par la génération d'un flux sur l'enroulement secondaire d'une amplitude opposée mais égale au flux de l'enroulement primaire, selon Loi de Lenz'z .

Puisque le noyau porte une perméabilité magnétique infinie, tout le flux magnétique (100%) peut être transféré à travers les deux enroulements.

Cela implique que, lorsque le primaire est soumis à une source alternative et qu'une charge est connectée aux bornes de l'enroulement secondaire, le courant circule à travers l'enroulement respectif dans les directions comme indiqué dans le schéma suivant. Dans cette condition, la force magnétomotrice du noyau est neutralisée à zéro.

Image courtoisie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

Dans cette conception de transformateur idéale, puisque le transfert de flux à travers les enroulements primaire et secondaire est de 100%, selon la loi de Faraday, la tension induite sur chacun des enroulements sera parfaitement proportionnelle au nombre de tours de l'enroulement, comme indiqué ci-dessous chiffre:

Vidéo de test vérifiant la relation linéaire entre le rapport de rotation primaire / secondaire.

TOURS ET RATIOS DE TENSION

Essayons de comprendre les calculs de rapport de rotation en détail:

L'amplitude nette de la tension induite de l'enroulement primaire au secondaire est simplement déterminée par le rapport du nombre de tours enroulés sur les sections primaire et secondaire.

Cependant, cette règle ne s'applique que si le transformateur est proche d'un transformateur idéal.

Un transformateur idéal est ce transformateur qui a des pertes négligeables sous forme d'effet de peau ou de courants de Foucault.

Prenons l'exemple de la figure 1 ci-dessous (pour un transformateur idéal).

Supposons que l'enroulement primaire se compose d'environ 10 tours, tandis que le secondaire ne comporte qu'un seul enroulement de tour. En raison de l'induction électromagnétique, les lignes de flux générées à travers l'enroulement primaire en réponse au courant alternatif d'entrée, se dilatent et s'effondrent alternativement, coupant les 10 spires de l'enroulement primaire. Il en résulte qu'une quantité de tension précisément proportionnée a été induite à travers l'enroulement secondaire en fonction du rapport de spires.

L'enroulement qui alimenté en entrée CA devient l'enroulement primaire, tandis que l'enroulement complémentaire qui produit la sortie par induction magnétique du primaire devient l'enroulement secondaire.

Figure 1)

Étant donné que le secondaire n'a qu'un seul tour, il subit un flux magnétique proportionné à travers son tour unique par rapport aux 10 tours du primaire.

Par conséquent, puisque la tension appliquée aux bornes du primaire est de 12 V, chacun de ses enroulements serait soumis à un compteur EMF de 12/10 = 1,2 V, et c'est exactement l'amplitude de la tension qui influencerait le tour unique présent à travers la section secondaire. En effet, il possède un seul enroulement qui est capable d'extraire uniquement la même quantité équivalente d'induction qui peut être disponible à travers le tour unique sur le primaire.

Ainsi, le secondaire avec un seul tour serait capable d'extraire 1,2V du primaire.

L'explication ci-dessus indique que le nombre de tours sur un primaire de transformateur correspond linéairement à la tension d'alimentation à travers celui-ci et que la tension est simplement divisée par le nombre de tours.

Ainsi dans le cas ci-dessus puisque la tension est de 12V, et le nombre de tours est de 10, le compteur net EMF induit sur chacun des tours serait de 12/10 = 1,2V

Exemple # 2

Maintenant, visualisons la figure 2 ci-dessous, elle montre un type de configuration similaire à celui de la figure 1. attendez-vous au secondaire qui a maintenant 1 tour supplémentaire, soit 2 nombres de tours.

Inutile de dire que maintenant le secondaire passerait par deux fois plus de lignes de flux que la condition de la figure 1 qui n'avait qu'un seul tour.

Donc, ici, l'enroulement secondaire lirait environ 12/10 x 2 = 2,4 V parce que les deux spires seraient influencées par une amplitude de contre-EMF qui peut être équivalente sur les deux enroulements du côté primaire du trafo.

Par conséquent, à partir de la discussion ci-dessus en général, nous pouvons conclure que dans un transformateur, la relation entre la tension et le nombre de tours entre le primaire et le secondaire est assez linéaire et proportionnelle.

Numéros de virage du transformateur

Ainsi, la formule dérivée pour calculer le nombre de tours pour tout transformateur peut être exprimée comme suit:

Es / Ep = Ns / Np

où,

• Es = tension secondaire ,
• Ep = tension primaire,
• Ns = nombre de tours secondaires,
• Np = Nombre de tours primaires.

Rapport de virage secondaire primaire

Il serait intéressant de noter que la formule ci-dessus indique une relation directe entre le rapport de la tension secondaire à la tension primaire et le nombre de spires secondaire à primaire, qui sont indiqués comme proportionnels et égaux.

Par conséquent, l'équation ci-dessus peut également être exprimée comme suit:

Ep x Ns = Es x Np

Plus loin, nous pouvons dériver la formule ci-dessus pour résoudre Es et Ep comme indiqué ci-dessous:

Es = (Ep x Ns) / Np

De même,

Ep = (Es x Np) / Ns

L'équation ci-dessus montre que si 3 grandeurs sont disponibles, la quatrième grandeur pourrait être facilement déterminée en résolvant la formule.

Résolution des problèmes pratiques d'enroulement de transformateur

Exemple au point n ° 1: Un transformateur possède 200 tours dans la section primaire, 50 tours dans le secondaire et 120 volts connectés à travers le primaire (Ep). Quelle pourrait être la tension aux bornes du secondaire (E s)?

Donné:

• Np = 200 tours
• Ns = 50 tours
• Ep = 120 volts
• Est-ce que =? volts

Répondre:

Es = EpNs / Np

Remplacer:

Es = (120 V x 50 tours) / 200 tours

Es = 30 volts

Cas au point # 2 : Supposons que nous ayons 400 tours de fil dans une bobine à noyau de fer.

En supposant que la bobine doit être utilisée comme enroulement primaire d'un transformateur, calculez le nombre de tours à enrouler sur la bobine pour acquérir l'enroulement secondaire du transformateur afin d'assurer une tension secondaire d'un volt avec une situation où le primaire la tension est de 5 volts?

Donné:

• Np = 400 tours
• Ep = 5 volts
• Es = 1 volts
• Ns =? se tourne

Répondre:

EpNs = EsNp

Transposer pour Ns:

Ns = EsNp / Ep

Remplacer:

Ns = (1V x 400 tours) / 5 volts

Ns = 80 tours

Garder à l'esprit: Le rapport de la tension (5: 1) est équivalent au rapport de bobinage (400: 80). Parfois, en remplacement de valeurs particulières, vous vous trouvez assigné à un rapport de rotation ou de tension.

Dans des cas comme celui-ci, vous pouvez simplement supposer n'importe quel nombre arbitraire pour l'une des tensions (ou enroulement) et calculer l'autre valeur alternative à partir du rapport.

À titre d'illustration, supposons qu'un rapport d'enroulement soit attribué à 6: 1, vous pouvez imaginer une quantité de tours pour la section primaire et calculer le nombre de tours secondaire équivalent, en utilisant des proportions similaires telles que 60:10, 36: 6, 30: 5, etc.

Le transformateur dans tous les exemples ci-dessus porte un moins grand nombre de spires dans la section secondaire par rapport à la section primaire. Pour cette raison, vous pouvez trouver une plus petite quantité de tension sur le secondaire du trafo plutôt que sur le côté primaire.

Que sont les transformateurs élévateurs et abaisseurs

Un transformateur dont la tension nominale du côté secondaire est inférieure à la tension nominale du côté primaire est appelé Transformateur STEP-DOWN .

Ou, alternativement, si l'entrée CA est appliquée à l'enroulement qui a un nombre de tours plus élevé, le transformateur agit comme un transformateur abaisseur.

Le rapport d'un transformateur abaisseur de quatre pour un est inscrit comme 4: 1. Un transformateur qui comprend un nombre moindre de tours du côté primaire par rapport au côté secondaire générera une tension plus élevée à travers le côté secondaire par rapport à la tension connectée à travers le côté primaire.

Un transformateur dont le côté secondaire est évalué au-dessus de la tension aux bornes du côté primaire est appelé transformateur STEP-UP. Ou, en variante, si l'entrée CA est appliquée à un enroulement qui a un nombre de tours inférieur, le transformateur agit comme un transformateur élévateur.

Le rapport d'un transformateur élévateur de un à quatre doit être inscrit sur 1: 4. Comme vous pouvez le voir dans les deux rapports, la magnitude de l'enroulement du côté primaire est systématiquement mentionnée au début.

Pouvons-nous utiliser un transformateur abaisseur comme transformateur élévateur et vice versa?

Oui définitivement! Tous les transformateurs fonctionnent avec le même principe fondamental que celui décrit ci-dessus. Utiliser un transformateur élévateur comme transformateur abaisseur signifie simplement permuter les tensions d'entrée à travers leur enroulement primaire / secondaire.

Par exemple, si vous avez un transformateur élévateur d'alimentation ordinaire qui vous fournit une sortie 12-0-12V à partir d'une entrée 220V AC, vous pouvez utiliser le même transformateur comme transformateur élévateur pour produire une sortie 220V à partir d'un 12V AC saisir.

Un exemple classique est un circuit inverseur , où les transformateurs n'ont rien de spécial en eux. Ils fonctionnent tous en utilisant les transformateurs abaisseurs ordinaires connectés de manière opposée.

Impact de la charge

Chaque fois qu'une charge ou un appareil électrique est raccordé à l'enroulement secondaire d'un transformateur, le courant ou les ampères traversent le côté secondaire de l'enroulement avec la charge.

Le flux magnétique généré par le courant dans l'enroulement secondaire interagit avec les lignes magnétiques de flux générées par les ampères du côté primaire. Ce conflit entre les deux lignes de flux est généré en raison de l'inductance partagée entre les enroulements primaire et secondaire.

Flux mutuel

Le flux absolu dans le matériau du noyau du transformateur est répandu dans les enroulements primaire et secondaire. C'est en outre un moyen par lequel l'énergie électrique peut migrer de l'enroulement primaire vers l'enroulement secondaire.

En raison du fait que ce flux unit les deux enroulements, le phénomène généralement connu sous le nom de MUTUAL FLUX. De plus, l'inductance qui génère ce flux est prédominante dans les deux enroulements et est appelée inductance mutuelle.

La figure (2) ci-dessous montre le flux créé par les courants dans les enroulements primaire et secondaire d'un transformateur chaque fois que le courant d'alimentation est activé dans l'enroulement primaire.

Figure 2)

Chaque fois que la résistance de charge est connectée à l'enroulement secondaire, la tension stimulée dans l'enroulement secondaire déclenche la circulation du courant dans l'enroulement secondaire.

Ce courant produit des anneaux de flux autour de l'enroulement secondaire (indiqué en pointillés) qui peut être une alternative au champ de flux autour du primaire (loi de Lenz).

Par conséquent, le flux autour de l'enroulement secondaire annule la majeure partie du flux autour de l'enroulement primaire.

Avec une plus petite quantité de flux encerclant l'enroulement primaire, la force électromotrice inversée est réduite et plus d'ampli est aspiré de l'alimentation. Le courant supplémentaire dans l'enroulement primaire libère des lignes de flux supplémentaires, rétablissant à peu près la quantité initiale de lignes de flux absolues.

TOURS ET RATIOS ACTUELS

La quantité de lignes de flux produites dans un noyau trafo est proportionnelle à la force de magnétisation

(EN AMPERE-TOURS) des enroulements primaire et secondaire.

L'ampère-tour (I x N) est indicatif de la force motrice magnéto, il peut être compris comme étant la force magnétomotrice produite par un ampère de courant circulant dans une bobine de 1 tour.

Le flux disponible dans le noyau d'un transformateur entoure ensemble les enroulements primaire et secondaire.

Étant donné que le flux est identique pour chaque enroulement, les ampères-tours dans chaque enroulement primaire et secondaire doivent toujours être les mêmes.

Pour cette raison:

IpNp = IsNs

Où:

IpNp = ampère / tours dans l'enroulement primaire
IsN - ampère / tours dans l'enroulement secondaire

En divisant les deux côtés de l'expression par
Ip , on a:
Np / Ns = Est / Ip

puisque: Es / Ep = Ns / Np

Puis: Ep / Es = Np / Ns

Également: Ep / Es = Est / Ip

où

• Ep = tension appliquée aux bornes du primaire en volts
• Es = tension aux bornes du secondaire en volts
• Ip = courant dans le primaire en ampères
• Is = courant dans le secondaire en ampères

Observez que les équations indiquent que le rapport d'ampères est l'inverse de l'enroulement ou le rapport de rotation ainsi que le rapport de tension.

Cela implique qu'un transformateur possédant moins de spires du côté secondaire par rapport au primaire peut abaisser la tension, mais il augmenterait le courant. Par exemple:

Un transformateur suppose un rapport de tension de 6: 1.

Essayez de trouver le courant ou les ampères du côté secondaire si le courant ou l'amplificateur du côté primaire est de 200 milliampères.

Supposer

Ep = 6V (à titre d'exemple)
Est = 1 V
Ip = 200mA ou 0,2Amps
Est-ce que =?

Répondre:

Ep / Es = Est / Ip

Transposer pour Is:

Est = EpIp / Es

Remplacer:

Est = (6 V x 0,2 A) / 1 V
Est = 1,2A

Le scénario ci-dessus résout le fait que malgré le fait que la tension aux bornes de l'enroulement secondaire est un sixième de la tension aux bornes de l'enroulement primaire, les ampères dans l'enroulement secondaire sont 6 fois les ampères dans l'enroulement primaire.

Les équations ci-dessus pourraient très bien être envisagées sous un autre angle.

Le rapport d'enroulement signifie la somme à travers laquelle le transformateur augmente ou augmente ou réduit la tension connectée au côté primaire.

Juste pour illustrer, supposons que si l'enroulement secondaire d'un transformateur a deux fois plus de tours que l'enroulement primaire, la tension stimulée dans le côté secondaire sera probablement le double de la tension aux bornes de l'enroulement primaire.

Dans le cas où l'enroulement secondaire transporte la moitié du nombre de tours du côté primaire, la tension aux bornes du côté secondaire sera la moitié de la tension aux bornes de l'enroulement primaire.

Cela dit, le rapport d'enroulement ainsi que le rapport d'amplification d'un transformateur comprennent une association inverse.

En conséquence, un transformateur élévateur 1: 2 pourrait avoir la moitié de l'ampli du côté secondaire par rapport au côté primaire. Un transformateur abaisseur 2: 1 peut avoir deux fois l'ampli dans l'enroulement secondaire par rapport au côté primaire.

Illustration: Un transformateur avec un rapport d'enroulement de 1:12 possède 3 ampères de courant du côté secondaire. Découvrez la magnitude des amplis dans l'enroulement primaire?

Donné:

Np = 1 tour (par exemple)
Ns = 12 tours
Est = 3Amp
Lp =?

Répondre:

Np / Ns = Est / Ip

Remplacer:

Ip = (12 tours x 3 Amp) / 1 tour

Ip = 36A

Calcul de l'inductance mutuelle

L'induction mutuelle est un processus dans lequel un enroulement passe par une induction EMF en raison du taux de changement de courant de l'enroulement adjacent conduisant à un couplage inductif entre l'enroulement.

En d'autres termes Inductance mutuelle est le rapport de la force électromotrice induite à travers un enroulement au taux de changement de courant sur l'autre enroulement, tel qu'exprimé dans la formule suivante:

M = emf / di (t) / dt

Mise en phase dans les transformateurs:

Normalement, lorsque nous examinons les transformateurs, la plupart d'entre nous pensent que la tension et les courants des enroulements primaire et secondaire sont en phase les uns avec les autres. Cependant, cela peut ne pas être toujours vrai. Dans les transformateurs, la relation entre la tension et l'angle de phase du courant entre le primaire et le secondaire dépend de la façon dont ces enroulements sont tournés autour du noyau. Cela dépend du fait qu'ils soient tous les deux dans le sens anti-horaire, ou dans le sens des aiguilles d'une montre ou peut-être qu'un enroulement est tourné dans le sens horaire tandis que l'autre enroulement dans le sens inverse.

Reportons-nous aux schémas suivants pour comprendre comment l'orientation de l'enroulement affecte l'angle de phase:

Dans l'exemple ci-dessus, les directions d'enroulement semblent identiques, c'est-à-dire que les enroulements primaire et secondaire sont tournés dans le sens des aiguilles d'une montre. En raison de cette orientation identique, l'angle de phase du courant et de la tension de sortie est identique à l'angle de phase du courant et de la tension d'entrée.

Dans le deuxième exemple ci-dessus, la direction d'enroulement du transformateur peut être vue enroulée avec une orientation opposée. Comme on peut le voir, le primaire semble être dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que le secondaire est enroulé dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. En raison de cette orientation d'enroulement opposée, l'angle de phase entre les deux enroulements est éloigné de 180 degrés, et la sortie secondaire induite montre une réponse de courant et de tension déphasée.

Notation de points et convention de points

Afin d'éviter les confusions, la notation Dot ou la convention Dot est utilisée pour représenter l'orientation d'enroulement d'un transformateur. Cela permet à l'utilisateur de comprendre les spécifications d'angle de phase d'entrée et de sortie, que les enroulements primaire et secondaire soient en phase ou hors phase.

La convention de points est mise en œuvre par des marques de points sur le point de départ de l'enroulement, indiquant si les enroulements sont en phase ou déphasés l'un par rapport à l'autre.

Le schéma de transformateur suivant porte une dénotation de convention de point, et cela signifie que le primaire et le secondaire du transformateur sont en phase l'un avec l'autre.

La notation par points utilisée dans l'illustration ci-dessous montre les DOT placés entre les points opposés des enroulements primaire et secondaire. Cela indique que l'orientation de l'enroulement des deux côtés n'est pas la même et que par conséquent l'angle de phase entre les deux enroulements sera déphasé de 180 degrés lorsqu'une entrée CA est appliquée sur l'un des enroulements.

Pertes dans un vrai transformateur

Les calculs et formules considérés dans les paragraphes ci-dessus étaient basés sur un transformateur idéal. Cependant, dans le monde réel et pour un vrai transformateur, le scénario peut être très différent.

Vous constaterez que dans une conception idéale, les facteurs linéaires fondamentaux suivants des transformateurs réels seront ignorés:

(a) De nombreux types de pertes de noyau, connues ensemble sous le nom de pertes de courant magnétisant, qui peuvent inclure les types de pertes suivants:

• Pertes par hystérésis: elles sont dues à des influences non linéaires du flux magnétique sur le noyau du transformateur.
• Pertes par courants de Foucault: Cette perte est générée par le phénomène appelé échauffement par joule dans le noyau du transformateur. Il est proportionnel au carré de la tension appliquée au primaire du transformateur.

(b) Contrairement au transformateur idéal, la résistance de l'enroulement dans un vrai transformateur ne peut jamais avoir une résistance nulle. Cela signifie que l'enroulement aura éventuellement une certaine résistance et des inductances associées.

• Pertes Joule: Comme expliqué ci-dessus, la résistance générée aux bornes des enroulements donne lieu à des pertes Joule.
• Flux de fuite: Nous savons que les transformateurs dépendent fortement de l'induction magnétique à travers leur enroulement. Cependant, étant donné que les enroulements sont construits sur un seul noyau commun, le flux magnétique a tendance à fuir à travers l'enroulement via le noyau. Cela donne lieu à une impédance appelée impédance réactive primaire / secondaire, qui contribue aux pertes du transformateur.

(c) Puisqu'un transformateur est également une sorte d'inductance, il est également affecté par des phénomènes tels que la capacité parasite et l'auto-résonance, en raison de la distribution du champ électrique. Ces capacités parasites peuvent généralement se présenter sous 3 formes différentes, comme indiqué ci-dessous:

• Capacité générée entre les spires les unes au-dessus des autres à l'intérieur d'une seule couche
• Capacité générée sur deux ou plusieurs couches adjacentes
• Capacité créée entre le noyau du transformateur et la ou les couches d'enroulement adjacentes au noyau

Conclusion

D'après la discussion ci-dessus, nous pouvons comprendre que dans des applications pratiques, le calcul d'un transformateur, en particulier d'un transformateur à noyau de fer, peut ne pas être aussi simple qu'un transformateur idéal le serait.

Pour obtenir les résultats les plus précis pour les données d'enroulement, nous pouvons avoir à prendre en compte de nombreux facteurs tels que: la densité de flux, la surface centrale, la taille du noyau, la largeur de la languette, la surface de la fenêtre, le type de matériau du noyau, etc.

Vous pouvez en savoir plus sur tous ces calculs sous ce poste: