Types de pertes dans les transformateurs — Pourquoi elles se produisent et comment les réduire

Nous connaissons tous l’importance des transformateurs dans les systèmes électriques. Ils peuvent transmettre l’électricité entre différents circuits, modifier le niveau de tension et permettre le transport de l’électricité sur de longues distances. Mais, comme pour tout autre type de machine électrique, ils ne sont pas parfaits et présentent leur propre part de pertes d’énergie.

Pour connaître les différents types de pertes qui se produisent dans un transformateur, comprendre ce qui cause ces pertes et comment nous pouvons les réduire nous aidera à améliorer les performances et la fiabilité d’un transformateur.

Que sont les pertes d’un transformateur

Les pertes d’un transformateur désignent l’énergie qui est perdue sous forme de chaleur, ou sous d’autres formes, plutôt que d’être transférée à la charge. Les pertes se produisent à la fois dans le noyau et dans les enroulements. Elles ont un effet sur le fonctionnement du transformateur et constituent un élément important pour déterminer son efficacité.

Un transformateur présente de nombreux types de pertes, depuis les pertes importantes comme les pertes cuivre et les pertes fer jusqu’aux pertes plus faibles comme les pertes diélectriques et les pertes parasites. Il est nécessaire de toutes les comprendre lors de la conception et de l’exploitation.

Deux principaux types de pertes d’un transformateur

D’une manière générale, les pertes d’un transformateur peuvent être divisées en deux grandes catégories :

Pertes à vide – elles se produisent même si le transformateur est sous tension mais ne fournit aucune charge.
Pertes en charge – elles se produisent lorsqu’un courant circule dans les enroulements pour fournir de la puissance.

On les désigne souvent comme les deux types de pertes d’énergie dans un transformateur. Chacune possède ses propres sous-catégories et causes.

Pertes à vide

Pertes fer (pertes dans le noyau) des transformateurs

La perte fer, également appelée perte dans le noyau, se produit à l’intérieur du noyau magnétique du transformateur. Elle se compose principalement des pertes par hystérésis et des pertes par courants de Foucault.

Pertes par hystérésis dans les transformateurs

Le noyau d’un transformateur est comme un grand bloc de matériau magnétique. Lorsque l’électricité circule dans les bobines du transformateur, elle crée un champ magnétique qui « magnétise » ce noyau.

Nous savons que les transformateurs n’utilisent que du courant alternatif (CA), ce qui signifie que la direction du courant change des dizaines de fois par seconde. Cela force les « petits éléments » magnétiques à l’intérieur du noyau à changer de direction encore et encore.

Chaque fois que ces éléments magnétiques changent de direction, ils doivent surmonter une sorte de résistance interne dans le matériau du noyau. Cette énergie supplémentaire gaspillée est appelée perte par hystérésis.

Comment la réduire : un matériau de noyau de bonne qualité, tel que l’acier à grains orientés laminé à froid, peut réduire les pertes par hystérésis.

Pertes par courants de Foucault dans les transformateurs

La variation du flux magnétique induit des courants circulants dans le noyau conducteur, appelés courants de Foucault. Ces courants produisent de la chaleur et gaspillent de l’énergie.

Comment les réduire : on utilise des noyaux feuilletés avec des couches isolantes entre les tôles afin de minimiser les pertes par courants de Foucault.

Les deux types ci-dessus sont appelés types de pertes fer dans un transformateur, et représentent la majeure partie des pertes à vide de la plupart des transformateurs de puissance.

Pertes diélectriques dans les transformateurs

Les bobines à l’intérieur d’un transformateur sont toujours enveloppées de papier isolant et de vernis, afin d’éviter toute fuite électrique ou court-circuit. Ces matériaux sont appelés diélectriques isolants ; ils sont comme des combinaisons de protection portées pour maintenir l’électricité « dans le droit chemin ».

Les transformateurs utilisent du courant alternatif, de sorte que la tension monte et descend constamment. Cette fluctuation fait bouger les molécules à l’intérieur du matériau isolant. La friction entre ces molécules génère de la chaleur. Cette chaleur est totalement une perte de puissance puisqu’elle n’aide pas à transférer l’électricité. C’est ce que nous appelons les pertes diélectriques.

Comment la réduire : utilisez un bon matériau isolant et maintenez le système d’isolation à l’huile ou au gaz intact afin qu’il ne soit pas affecté par l’humidité ou la saleté.

Pertes en charge

Pertes cuivre dans les transformateurs

La perte cuivre porte plusieurs noms. On peut aussi l’appeler perte I²R, perte ohmique ou perte dans les enroulements. Elle se produit en raison du courant qui circule dans les enroulements du transformateur. Le fil de cuivre résiste au passage de l’électricité, de sorte qu’une partie de l’énergie est transformée en chaleur. La perte cuivre est proportionnelle au carré du courant de charge ; elle sera plus importante en charge lourde.
Comment la réduire : utilisez des conducteurs de plus grande section transversale. Utilisez du cuivre ou de l’aluminium de haute pureté avec une résistance plus faible. Des connexions serrées aident également à éviter la surchauffe.

Pertes parasites dans les transformateurs

Il y a des bobines de fil à l’intérieur d’un transformateur. Lorsque l’électricité les traverse, elles créent un champ magnétique. Dans des conditions idéales, ce champ magnétique devrait rester uniquement à l’intérieur du noyau de fer du transformateur et contribuer à la transmission de l’énergie.

Mais une partie de ce champ magnétique s’échappe du noyau de fer et finit par frapper les parties métalliques du transformateur, comme la cuve d’huile, les fixations métalliques et même les boulons.
Lorsque ce champ magnétique parasite touche ces parties métalliques, il crée en leur sein de minuscules courants inutiles. Cette énergie supplémentaire se transforme en chaleur, et c’est de là que proviennent les pertes parasites. C’est l’énergie gaspillée qui ne fait que chauffer le transformateur pour rien.

Nous pouvons la réduire en utilisant un blindage magnétique approprié et en améliorant la conception du transformateur afin de réduire le flux parasite et de minimiser ces pertes.

Comment réduire les pertes d’un transformateur

– Choisissez un transformateur à haut rendement utilisant un matériau de noyau à faibles pertes.
– Assurez-vous qu’il est correctement entretenu, vérifiez s’il y a une surchauffe, des connexions desserrées et une détérioration de la qualité de l’huile.
– Évitez la surcharge car elle augmente les pertes cuivre et la température.
– La température doit être vérifiée et ne doit pas devenir trop élevée. La température doit toujours rester dans la plage prévue.
– Effectuez des contrôles réguliers et surveillez attentivement toute augmentation des pertes.

Comment mesurer le rendement des transformateurs ?

Le rendement d’un transformateur désigne le degré d’efficacité avec lequel un transformateur peut convertir la puissance d’entrée en puissance de sortie utile. Il s’exprime de la manière suivante :
Rendement (%) = Puissance de sortie / Puissance d’entrée × 100
Comme ces transformateurs sont conçus pour de meilleures performances, le rendement se situe généralement entre 95 et 99 %, selon la taille, la conception et le niveau de charge.

Deux méthodes courantes pour déterminer l’efficacité d’un équipement

Méthode directe

Les puissances d’entrée et de sortie sont mesurées directement avec des wattmètres en charge. C’est simple, mais ce n’est pas vraiment précis pour les grands transformateurs, car les pertes sont bien inférieures à la puissance totale.

Méthode indirecte (méthode des pertes)

Mesurez séparément la perte fer (perte à vide) et la perte cuivre (perte en charge), puis calculez :
Rendement = Puissance de sortie / (Puissance de sortie + Pertes totales)
C’est une méthode populaire pour tester les transformateurs et elle peut fournir de meilleurs résultats.

Conseil :
Le rendement maximal est atteint lorsque la perte fer = la perte cuivre. Maintenez une condition de charge équilibrée et un refroidissement approprié afin de faire fonctionner le transformateur près de ce point optimal.

Conclusion

Les pertes d’un transformateur se produiront toujours, mais comprendre pourquoi elles surviennent nous aide à mieux les réduire. Grâce à des matériaux de bonne qualité, des conditions de fonctionnement appropriées, un refroidissement efficace et un système de surveillance, nous pouvons assurer de bonnes performances à notre transformateur et économiser beaucoup d’énergie.

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