Dans les tutoriels précédents sur les transformateurs, nous avons supposé que le transformateur est idéal, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de pertes dans le noyau ou de pertes dans les enroulements du transformateur. Cependant, dans les transformateurs du monde réel, il y aura toujours des pertes associées au chargement du transformateur lorsque le transformateur est mis “sous charge”. Mais que voulons-nous dire par : Chargement du Transformateur.

Commençons par examiner ce qui arrive à un transformateur lorsqu’il est dans cette condition de “non-charge”, c’est-à-dire sans charge électrique connectée à son enroulement secondaire et donc sans courant secondaire circulant.

On dit qu’un transformateur est en “non-charge” lorsque son enroulement secondaire est ouvert, en d’autres termes, rien n’est connecté et le chargement du transformateur est nul. Lorsqu’une alimentation AC sinusoïdale est connectée à l’enroulement primaire d’un transformateur, un petit courant, I_OPEN, circulera dans l’enroulement primaire en raison de la présence de la tension d’alimentation primaire.

Avec le circuit secondaire ouvert, rien n’est connecté, une contre-EMF ainsi que la résistance de l’enroulement primaire agissent pour limiter le flux de ce courant primaire. Évidemment, ce courant primaire à non-charge (Io) doit être suffisant pour maintenir un champ magnétique assez fort pour produire la contre-EMF requise. Considérons le circuit ci-dessous.

Condition de “Non-Charge” du Transformateur

Le multimètre ci-dessus indiquera un petit courant circulant dans l’enroulement primaire même si le circuit secondaire est ouvert. Ce courant primaire à non-charge se compose des deux composants suivants :

• Un courant en phase, I_E, qui alimente les pertes dans le noyau (courants de Foucault et hystérésis).
• Un petit courant, I_M, à 90^o par rapport à la tension qui crée le flux magnétique.

Notez que ce courant primaire à non-charge, Io, est très faible par rapport au courant à pleine charge normal du transformateur. De plus, en raison des pertes ferromagnétiques dans le noyau ainsi qu’une petite quantité de pertes en cuivre dans l’enroulement primaire, Io ne retarde pas exactement par rapport à la tension d’alimentation, Vp de 90^o, il y aura une petite différence d’angle de phase.

Exemple de Chargement du Transformateur No1

Un transformateur monophasé a un composant d’énergie, I_E, de 2 Ampères et un composant magnétisant, I_M, de 5 Ampères. Calculez le courant à non-charge, Io, et le facteur de puissance résultant.

Transformateur “Sous Charge”

Lorsqu’une charge électrique est connectée à l’enroulement secondaire d’un transformateur et que le chargement du transformateur est donc supérieur à zéro, un courant circule dans l’enroulement secondaire et sort vers la charge. Ce courant secondaire est dû à la tension secondaire induite, établie par le flux magnétique créé dans le noyau par le courant primaire.

Le courant secondaire, I_S, qui est déterminé par les caractéristiques de la charge, crée un champ magnétique secondaire auto-induit, Φ_S, dans le noyau du transformateur qui circule dans la direction opposée au champ principal primaire, Φ_P. Ces deux champs magnétiques s’opposent, ce qui entraîne un champ magnétique combiné d’une force magnétique inférieure à celle du champ unique produit par l’enroulement primaire seul lorsque le circuit secondaire était ouvert.

Ce champ magnétique combiné réduit la contre-EMF de l’enroulement primaire faisant ainsi augmenter légèrement le courant primaire, I_P. Le courant primaire continue d’augmenter jusqu’à ce que le champ magnétique du noyau retrouve sa force d’origine, et pour qu’un transformateur fonctionne correctement, une condition équilibrée doit toujours exister entre les champs magnétiques primaire et secondaire. Cela entraîne un équilibrage de l’énergie également sur les côtés primaire et secondaire. Considérons le circuit ci-dessous.

Transformateur “Sous Charge”

Nous savons que le rapport de transformation d’un transformateur stipule que la tension totale induite dans chaque enroulement est proportionnelle au nombre de tours dans cet enroulement et également que la puissance de sortie et la puissance d’entrée du transformateur sont égales aux volts multipliés par les ampères, ( V x I ). Par conséquent :

Mais nous savons également que le rapport de tension d’un transformateur est égal au rapport de tours du transformateur sous la forme : “rapport de tension = rapport de tours”. Par conséquent, la relation entre la tension, le courant et le nombre de tours dans un transformateur peut être liée ensemble et est donc donnée comme :

Rapport du Transformateur

• Où :
•   N_P/N_S = V_P/V_S  –  représente le rapport de tension
•   N_P/N_S = I_S/I_P  –  représente le rapport de courant

Notez que le courant est inversement proportionnel à la fois à la tension et au nombre de tours. Cela signifie qu’avec un chargement du transformateur sur l’enroulement secondaire, afin de maintenir un niveau de puissance équilibré à travers les enroulements du transformateur, si la tension est augmentée, le courant doit être réduit et vice versa. En d’autres termes, “tension plus élevée — courant plus faible” ou “tension plus faible — courant plus élevé”.

Comme le rapport d’un transformateur est la relation entre le nombre de tours dans le primaire et le secondaire, la tension à travers chaque enroulement, et le courant à travers les enroulements, nous pouvons réorganiser l’équation du rapport du transformateur ci-dessus pour trouver la valeur de toute tension inconnue ( V ), courant ( I ) ou nombre de tours ( N ) comme illustré.

Le courant total prélevé de l’alimentation par l’enroulement primaire est la somme vectorielle du courant à non-charge, Io et du courant supplémentaire de l’alimentation, I₁ en raison du chargement secondaire du transformateur, qui retarde par rapport à la tension d’alimentation d’un angle de Φ. Nous pouvons montrer cette relation sous la forme d’un diagramme de phasors.

Cours de Chargement du Transformateur

Si nous connaissons les courants, I_S et Io, nous pouvons calculer le courant primaire, I_P de la manière suivante.

Exemple de Chargement du Transformateur No2

Un transformateur monophasé a 1000 tours sur son enroulement primaire et 200 tours sur son enroulement secondaire. Le courant à “non-charge” du transformateur prélevé de l’alimentation est de 3 Ampères avec un facteur de puissance de 0.2 en retard. Calculez le courant de l’enroulement primaire, I_P, et son facteur de puissance correspondant, φ, lorsque le courant secondaire fournissant un chargement de transformateur est de 280 Ampères à 0.8 en retard.

Vous aurez peut-être remarqué que l’angle de phase du courant primaire, φ_P, est très proche de celui de l’angle de phase du courant secondaire, φ_S. Cela est dû au fait que le courant à non-charge de 3 ampères est très faible comparé aux 56 ampères prélevés par l’enroulement primaire à partir de l’alimentation.

Dans la réalité, les enroulements de transformateurs ont des impédances de X_L et R. Ces impédances doivent être prises en compte lors de l’élaboration des diagrammes de phasors, car ces impédances internes provoquent des chutes de tension au sein des enroulements du transformateur. Les impédances internes sont dues à la résistance des enroulements et à une chute inductive appelée réactance de fuite résultant du flux de fuite. Ces impédances internes sont notées comme suit :

Donc les enroulements primaire et secondaire d’un transformateur possèdent à la fois de la résistance et de la réactance. Parfois, il peut être plus pratique de regrouper toutes ces valeurs d’impédance du même côté du transformateur pour simplifier les calculs mathématiques.

Il est possible de déplacer les impédances primaires vers le côté secondaire ou les impédances secondaires vers le primaire. Les valeurs combinées de R et L d’impédance sont appelées “Impédances Référées” ou “Valeurs Réfléchies”. L’objectif ici est de regrouper les impédances au sein du transformateur et d’avoir une seule valeur référée de R et X_L soit du côté primaire, soit du côté secondaire dans nos calculs comme montré.

Combinaison des Impédances du Transformateur

Afin de référer une résistance ou une réactance d’un côté du transformateur à l’autre, nous devons multiplier ou diviser par le carré du rapport de tours, ( Rapport de Tours² ). Ainsi, en référant (ou reflétant) les impédances (résistance et réactance) du secondaire vers le primaire du transformateur, nous multiplions par le carré du rapport de tours, N², et lorsque nous référons les impédances primaires au secondaire, nous devons diviser par le carré du rapport de tours. Ainsi, la réflexion du secondaire vers le primaire augmente R et X, tandis que la réflexion du primaire vers le secondaire réduit R et X d’un montant déterminé par N². Ce mécanisme de référence ou de réflexion des impédances s’applique également à la résistance de charge connectée et à la réactance.

Par exemple, pour référer une résistance secondaire de 2Ω au côté primaire ayant un rapport de tours de   8:1, on obtiendra une nouvelle valeur de résistance primaire de : 2 x 8² = 128Ω, tandis qu’une résistance primaire de 2Ω donnera une valeur de résistance secondaire de : 0.03125Ω.

Régulation de Tension du Transformateur

La régulation de tension d’un transformateur est définie comme le changement de tension aux bornes secondaires lorsque le chargement du transformateur est à son maximum, c’est-à-dire à pleine charge appliquée, tandis que la tension d’alimentation primaire est maintenue constante. La régulation détermine la chute (ou l’augmentation) de tension qui se produit à l’intérieur du transformateur à mesure que la tension de charge devient trop faible en raison d’un chargement trop élevé, ce qui affecte donc sa performance et son efficacité.

La régulation de tension est exprimée en pourcentage (ou par unité) de la tension à non-charge. Si E représente la tension secondaire à non-charge et V représente la tension secondaire à pleine charge, le pourcentage de régulation d’un transformateur est donné par :

Ainsi, par exemple, si un transformateur délivre 100 volts à non-charge et que la tension chute à 95 volts à pleine charge, la régulation serait de 5%. La valeur de E – V dépendra de l’impédance interne de l’enroulement, qui comprend sa résistance, R, et plus significativement sa réactance AC, X, le courant et l’angle de phase.

De plus, la régulation de tension augmente généralement à mesure que le facteur de puissance de la charge devient plus retardataire (inductif). La régulation de tension concernant le chargement du transformateur peut être soit positive, soit négative, c’est-à-dire avec la tension à non-charge comme référence, le changement vers le bas de la régulation à mesure que la charge est appliquée, ou avec le plein chargement comme référence et le changement à la hausse de la régulation à mesure que la charge est réduite ou retirée.

En général, la régulation du transformateur de type noyau lorsque le chargement du transformateur est élevé n’est pas aussi bonne que celle du transformateur de type coquille. Cela est dû au fait que le transformateur de type coquille a une meilleure distribution du flux en raison du entrelacement des enroulements.

Dans le prochain tutoriel sur les transformateurs, nous examinerons le transformateur à plusieurs enroulements qui possède plus d’un enroulement primaire ou plus d’un enroulement secondaire et nous verrons comment nous pouvons connecter deux ou plusieurs enroulements secondaires ensemble afin de fournir plus de tension ou plus de courant à la charge connectée.