La fonction principale d'un noyau dans un transformateur est de fournir un chemin magnétique reliant les enroulements primaire et secondaire. Sa haute perméabilité permet aux changements de flux magnétique de suivre ce chemin avec relativement peu de courant magnétisant. Cela permet un couplage magnétique efficace entre les enroulements. Le matériau et la construction du noyau influencent également les pertes d'énergie. Son rôle consiste donc à la fois à guider le flux magnétique et à limiter la chaleur produite pendant le fonctionnement.
Comment le noyau relie-t-il les enroulements primaire et secondaire ?
Lorsqu'une tension alternative est appliquée à l'enroulement primaire, un flux magnétique changeant se développe dans le noyau. Ce flux relie également l'enroulement secondaire, induisant une tension à ses bornes. Lorsqu'une charge complète le circuit secondaire, le courant peut circuler et l'énergie électrique est fournie à cette charge.
Le noyau fournit un chemin magnétique partagé à travers les régions entourées par les deux enroulements. Ses membres et ses culasses forment le circuit magnétique principal, aidant à concentrer le flux là où il peut relier les bobines. Cette relation est appelée couplage magnétique.
Comme expliqué dans Explication d'OpenStax sur le fonctionnement du transformateur , la modification du flux partagé par les enroulements induit leurs tensions. Dans un transformateur idéal, le rapport de tension est égal au rapport de transformation. Le noyau permet un couplage efficace ; le nombre de tours détermine si la tension augmente ou diminue.
Par exemple, un transformateur idéal avec deux fois plus de spires secondaires que de spires primaires produit une tension secondaire deux fois supérieure à sa tension primaire. Le noyau ne crée pas de puissance supplémentaire. Les vrais transformateurs ont également des pertes, leur puissance de sortie est donc inférieure à leur puissance d'entrée.
Les enroulements restent électriquement isolés du noyau. Le transfert d'énergie entre des enroulements séparés repose donc sur l'induction électromagnétique plutôt que sur une connexion conductrice à travers le métal. Certains flux ne parviennent toujours pas à relier les deux enroulements ; c'est ce qu'on appelle le flux de fuite, et la disposition des enroulements l'affecte également.
Pourquoi un chemin magnétique à faible réluctance est-il important ?
La réluctance magnétique décrit la force avec laquelle un chemin magnétique s'oppose à l'établissement du flux magnétique. Un chemin à faible réluctance permet au flux requis de se développer avec moins d'effort de magnétisation. C'est une propriété magnétique, distincte de la résistance électrique qui s'oppose au courant dans un fil.
Les matériaux de base tels que l'acier électrique ont une perméabilité magnétique beaucoup plus élevée que l'air. La perméabilité décrit la facilité avec laquelle un matériau répond à un champ magnétisant. L'utilisation d'un noyau approprié réduit donc la réluctance magnétique par rapport à un trajet équivalent dans l'air.
L'avantage pratique est un courant magnétisant plus faible : la composante du courant primaire nécessaire à l'établissement du flux magnétique alternatif. Ce courant est nécessaire même lorsque le circuit secondaire est ouvert et qu'aucune alimentation n'atteint une charge.
Pour un transformateur alimenté à une tension et une fréquence sinusoïdales fixes, avec un nombre fixe de spires primaires, le flux requis est approximativement défini par ces conditions. Une perméabilité plus élevée réduit principalement le courant magnétisant nécessaire pour établir ce flux. Cela n'augmente pas automatiquement la tension secondaire.
La géométrie du noyau et les joints comptent également. Des espaces involontaires augmentent la réluctance magnétique et peuvent augmenter le courant magnétisant. Les propriétés des matériaux et un chemin magnétique bien construit doivent donc fonctionner ensemble.
Un noyau réel consomme de l'énergie sous forme de chaleur lors de magnétisations répétées. Deux mécanismes principaux sont la perte par hystérésis et la perte par courants de Foucault . Comprendre leurs différences explique pourquoi les noyaux de transformateur utilisent des matériaux magnétiques sélectionnés et des méthodes de construction spécifiques.
La perte d'hystérésis se produit lorsque la magnétisation du matériau s'inverse de manière répétée avec le flux alternatif. Les matériaux magnétiquement doux avec une boucle d'hystérésis étroite réduisent l'énergie dissipée à chaque cycle. Le traitement des matériaux affecte également ce comportement.
La perte par courants de Foucault se produit parce que le changement de flux induit des courants électriques circulant à l’intérieur d’un noyau conducteur. Ces courants génèrent de la chaleur. De fines tôles d'acier, isolées électriquement les unes des autres, restreignent leurs trajectoires et réduisent les pertes associées par rapport à un bloc d'acier massif.
Dans les transformateurs de puissance et de distribution, Noyaux CRGO et les noyaux amorphes offrent différentes caractéristiques de perte. Leurs performances doivent être évaluées à la fréquence et à la densité de flux magnétique prévues.
Le laminage s'adresse principalement aux courants de Foucault ; il ne doit pas être décrit comme le principal remède à la perte par hystérésis. Des pertes de cœur plus faibles réduisent le gaspillage d'énergie et la chaleur que le système de refroidissement doit éliminer.
FAQ
Le cœur consomme-t-il de l’énergie lorsqu’aucune charge n’est connectée ?
Oui. Un transformateur sous tension a toujours un flux de noyau alternatif lorsque son secondaire est ouvert. L'hystérésis et les courants de Foucault continuent donc de produire des pertes, contribuant à sa consommation d'énergie à vide.
Les pertes dans le noyau sont-elles les mêmes que les pertes dans le cuivre ?
Non. Des pertes de noyau se produisent dans le matériau magnétique. Les pertes de cuivre sont dues à un échauffement résistif dans les enroulements et augmentent avec le carré du courant d'enroulement lorsque la résistance est constante.
Une perméabilité plus élevée signifie-t-elle toujours une efficacité plus élevée ?
Non. Une perméabilité plus élevée peut réduire le courant magnétisant, mais l’efficacité dépend également des pertes dans le noyau, de la résistance des enroulements et des conditions de fonctionnement. La perméabilité à elle seule ne peut pas établir l’efficacité totale du transformateur.
Un noyau de transformateur efficace combine un chemin magnétique approprié avec des pertes contrôlées. Les deux sont nécessaires pour un fonctionnement efficace.
