Explication des pertes dans un transformateur : pertes à vide et pertes en charge
Les pertes à vide et les pertes en charge dans un transformateur constituent deux formes principales de pertes d'énergie lors de son fonctionnement. L'explication détaillée qui suit décrit comment elles sont générées, distribuées et dissipées au sein du transformateur.
Les pertes à vide se produisent lorsque l'enroulement primaire du transformateur ne transporte qu'un faible courant d'excitation en l'absence de charge. Dans ce cas, les pertes par effet Joule sont négligeables et la majeure partie des pertes se produit dans le noyau : ce sont les pertes fer. Ces pertes fer comprennent les pertes par hystérésis et les pertes par courants de Foucault. Les pertes par hystérésis résultent de l'inversion continue des domaines magnétiques au sein du noyau sous l'influence d'un champ magnétique alternatif, ce qui consomme de l'énergie et génère de la chaleur. Les pertes par courants de Foucault sont dues à la conductivité du noyau. Lorsqu'il est soumis à un champ magnétique variable, une force électromotrice est induite dans des plans perpendiculaires aux lignes de champ magnétique, formant des boucles fermées qui génèrent des courants – appelés courants de Foucault – lesquels produisent de la chaleur en raison de la résistance du matériau du noyau.
Les pertes à vide sont principalement concentrées dans le noyau, car celui-ci constitue le composant principal du circuit magnétique. Les pertes par hystérésis et par courants de Foucault se produisent au sein de sa matière. De plus, de faibles pertes par effet Joule sont générées dans l'enroulement primaire en raison du courant à vide, mais elles sont généralement négligeables. La chaleur générée par les pertes à vide est dissipée principalement par conduction et rayonnement thermique du noyau vers l'environnement extérieur. Le noyau est en contact avec l'huile du transformateur ou l'air, auquel il transfère sa chaleur. Cette chaleur est ensuite évacuée par convection naturelle, se dissipant finalement dans l'environnement extérieur.
Les pertes en charge comprennent les pertes par effet Joule et les pertes additionnelles. Les pertes par effet Joule correspondent aux pertes dues à la résistance des enroulements lors du passage du courant. Selon la loi de Joule, la circulation d'un courant dans un conducteur génère de la chaleur, et la perte de puissance est proportionnelle au carré de l'intensité du courant. Les pertes additionnelles incluent les pertes par courants de Foucault dans les enroulements, les pertes par courants de circulation, les pertes parasites dans les composants structurels, etc., qui sont proportionnelles au carré de l'intensité et au carré de la fréquence.
Les pertes en charge sont principalement réparties dans les enroulements et le noyau. Le courant de charge dans les enroulements génère des pertes par effet Joule, tandis que le noyau subit également des pertes dues aux fuites de courant induites par ce même courant, bien que celles-ci soient relativement faibles comparées aux pertes par effet Joule dans les enroulements. De plus, les fuites de courant induites par le courant de charge génèrent des pertes parasites dans les composants métalliques situés hors des enroulements.
La chaleur générée par les pertes de charge est en partie transférée à l'huile du transformateur par conduction thermique depuis les enroulements, puis évacuée par convection naturelle ou circulation forcée de l'huile. Une autre partie est dissipée dans l'environnement par conduction et rayonnement thermique depuis le noyau et les composants structurels. Dans les transformateurs de grande taille, un refroidissement par circulation forcée d'huile, ou des méthodes similaires, sont souvent utilisés pour améliorer la dissipation thermique, optimisant ainsi le rendement et la fiabilité du transformateur.