Principales caractéristiques du transformateur
Caractéristiques externes du transformateur
On sait que la tension aux bornes de l'enroulement secondaire transformateur dépend du courant de charge connecté à cette bobine. Cette dépendance est appelée la caractéristique externe du transformateur.
La caractéristique externe du transformateur est supprimée à une tension d'alimentation constante, lorsqu'avec une modification de la charge, en fait avec une modification du courant de charge, la tension aux bornes de l'enroulement secondaire, c'est-à-dire la tension secondaire d'un transformateur change également.
Ce phénomène s'explique par le fait que sur la résistance de l'enroulement secondaire, avec une variation de la résistance de charge, la chute de tension change également, et en raison de la variation de la chute de tension aux bornes de la résistance de l'enroulement primaire, la FEM de l'enroulement secondaire change en conséquence.
Étant donné que l'équation d'équilibre EMF dans l'enroulement primaire contient des quantités vectorielles, la tension aux bornes de l'enroulement secondaire dépend à la fois du courant de charge et de la nature de cette charge : qu'elle soit active, inductive ou capacitive.
La nature de la charge est mise en évidence par la valeur de l'angle de phase entre le courant traversant la charge et la tension aux bornes de la charge. Fondamentalement, vous pouvez entrer un facteur de charge qui indiquera combien de fois le courant de charge diffère du courant nominal pour un transformateur donné :
Pour calculer avec précision les caractéristiques externes du transformateur, on peut recourir à un circuit équivalent dans lequel, en modifiant la résistance de charge, la tension et le courant de l'enroulement secondaire peuvent être fixés.
Néanmoins, la formule suivante s'avère utile dans la pratique, où la tension en circuit ouvert et la "variation de tension secondaire", qui est mesurée en pourcentage, sont substituées et calculées comme la différence arithmétique entre la tension en circuit ouvert et la tension à une charge donnée en pourcentage de la tension en circuit ouvert :
L'expression pour trouver la "variation de tension secondaire" est obtenue avec certaines hypothèses à partir du circuit équivalent du transformateur :
Les valeurs des composants réactifs et actifs de la tension de court-circuit sont saisies ici. Ces composantes de tension (actives et réactives) sont trouvées par les paramètres de circuit équivalents ou trouvées expérimentalement dans expérience en court-circuit.
L'expérience du court-circuit en dit long sur le transformateur.La tension de court-circuit correspond au rapport de la tension de court-circuit expérimentale à la tension primaire assignée. Le paramètre "tension de court-circuit" est spécifié en pourcentage.
Au cours de l'expérience, l'enroulement secondaire est court-circuité au transformateur, tandis qu'une tension est appliquée au primaire bien inférieure à celle nominale, de sorte que le courant de court-circuit est égal à la valeur nominale. Ici, la tension d'alimentation est équilibrée par la chute de tension aux bornes des enroulements, et la valeur de la tension réduite appliquée est considérée comme la chute de tension équivalente aux bornes des enroulements à un courant de charge égal à la valeur nominale.
Pour les transformateurs d'alimentation de faible puissance et pour les transformateurs de puissance, la valeur de la tension de court-circuit est comprise entre 5% et 15%, et plus le transformateur est puissant, plus cette valeur est petite. La valeur exacte de la tension de court-circuit est donnée dans la documentation technique d'un transformateur spécifique.
La figure montre les caractéristiques externes construites selon les formules ci-dessus. Nous pouvons voir que les graphiques sont linéaires, c'est parce que la tension secondaire ne dépend pas fortement du facteur de charge en raison de la résistance relativement faible de l'enroulement et du champ magnétique de fonctionnement. le flux dépend peu de la charge.
La figure montre que l'angle de phase, selon la nature de la charge, affecte si la caractéristique diminue ou augmente. Avec une charge active ou active-inductive, la caractéristique chute, avec une charge active-capacitive, elle peut augmenter, puis le deuxième terme de la formule de "changement de tension" devient négatif.
Pour les transformateurs de faible puissance, le composant actif chute généralement plus que le composant inductif, de sorte que la caractéristique externe avec une charge active est moins linéaire qu'avec une charge active-inductive. Pour les transformateurs plus puissants, c'est le contraire, donc la caractéristique de charge active sera plus stricte.
Efficacité du transformateur
Le rendement du transformateur est le rapport de la puissance électrique utile délivrée à la charge sur la puissance électrique active consommée par le transformateur :
La puissance consommée par le transformateur est la somme de la puissance consommée par la charge et des pertes de puissance directement dans le transformateur. De plus, la puissance active est liée à la puissance totale comme suit :
Étant donné que la tension de sortie du transformateur dépend généralement peu de la charge, le facteur de charge peut être lié à la puissance apparente nominale comme suit :
Et la puissance consommée par la charge dans le circuit secondaire :
Les pertes électriques dans la charge de grandeur arbitraire peuvent être exprimées, compte tenu des pertes à charge nominale, par le facteur de charge :
Les pertes de charge nominales sont déterminées très précisément par la puissance consommée par le transformateur dans l'expérience de court-circuit, et les pertes de nature magnétique sont égales à la puissance à vide consommée par le transformateur. Ces composantes de perte sont données dans la documentation du transformateur. Ainsi, si nous considérons les faits ci-dessus, la formule d'efficacité prendra la forme suivante :
La figure montre la dépendance de l'efficacité du transformateur sur la charge.Lorsque la charge est nulle, le rendement est nul.
Lorsque le facteur de charge augmente, la puissance fournie à la charge augmente également, les pertes magnétiques sont inchangées et le rendement, facile à voir, augmente de manière linéaire. Vient ensuite la valeur optimale du facteur de charge, où l'efficacité atteint sa limite, à ce stade, l'efficacité maximale est obtenue.
Après avoir dépassé le facteur de charge optimal, l'efficacité commence à diminuer progressivement. En effet, les pertes électriques augmentant, elles sont proportionnelles au carré du courant et, par conséquent, au carré du facteur de charge. Le rendement maximal pour les transformateurs de forte puissance (la puissance est mesurée en unités de kVA ou plus) est de l'ordre de 98 % à 99 %, pour les transformateurs de faible puissance (moins de 10 VA), le rendement peut être d'environ 60 %.
En règle générale, au stade de la conception, ils essaient de fabriquer des transformateurs tels que le rendement atteigne sa valeur maximale à un facteur de charge optimal de 0,5 à 0,7, puis avec un facteur de charge réel de 0,5 à 1, le rendement sera proche de son maximum. Avec réduction facteur de puissance (cosinus phi) de la charge connectée à l'enroulement secondaire, la puissance de sortie diminue également, tandis que les pertes électriques et magnétiques restent inchangées, d'où le rendement dans ce cas diminue.
Le mode de fonctionnement optimal du transformateur, c'est-à-dire mode nominal, sont généralement réglés en fonction des conditions de fonctionnement sans problème et en fonction du niveau de chauffage admissible pendant une certaine période de fonctionnement.Il s'agit d'une condition extrêmement importante pour que le transformateur, tout en délivrant la puissance nominale tout en fonctionnant en mode nominal, ne surchauffe pas.