Soyons réalistes :-les transformateurs ne convertissent pas comme par magie toute la puissance d'entrée en sortie utile. Ils sont assez efficaces, bien sûr, mais il y a toujours de l'énergie qui est « absorbée » et transformée en chaleur. Cette chaleur provient principalement de deux grandes pertes :
Pertes de noyau (pertes de fer)
Pertes de cuivre (pertes de bobinage)
Si vous comprenez ces pertes, vous pouvez faire beaucoup mieux avecefficacité, conception thermique, etfrais de fonctionnement. Et honnêtement, les pertes des transformateurs ne sont pas qu'une chose théorique :-ces pertes affectent directement le montant que vous payez et la durée pendant laquelle l'équipement reste en bon état.
Types de pertes de transformateur
Pertes de base (aucune-pertes de charge)
Les pertes dans le noyau sont principalement présentes même lorsque le transformateur n'est pas fortement chargé. C'est pourquoi on les appelle souventaucune-perte de charge-ils restentassez constantavec charge.
Les pertes de base comprennent généralement :
Perte d'hystérésis: énergie utilisée pour continuer à inverser les domaines magnétiques dans le matériau du noyau
Perte par courants de Foucault: courants induits dans les tôles, qui se transforment également en chaleur
Comment sont mesurées les pertes de base ?
Ils sont mesurés à l'aide duTest de circuit ouvert (OC):
La tension nominale est appliquée au primaire
Le secondaire est laissécircuit ouvert-
La lecture du wattmètre vous donne la perte de base, généralement écrite sous la forme
Relations approximatives entre-pertes principales
Les ingénieurs utilisent souvent des formules simplifiées comme celles-ci (bonnes pour comprendre les tendances, même si les vrais transformateurs ne sont jamais « parfaits ») :
Où:
Pertes de cuivre (pertes de charge)
Les pertes de cuivre se produisent parce que le courant circule dans les enroulements. Et chaque fois que le courant traverse une résistance, vous obtenez un chauffage-classique
.
Point clé :les pertes de cuivre augmentent avec le carré du courant de charge, ce qui signifie qu'ils peuvent augmenter rapidement lorsque le transformateur est chargé plus fortement.
Comment sont mesurées les pertes de cuivre ?
On les trouve en utilisant leTest de court-circuit (SC):
Un enroulement est en court-circuit
La tension est appliquée progressivement à l'autre enroulement jusqu'à ce que le courant nominal circule
La lecture du wattmètre est laperte de cuivre à pleine-charge, souvent appelé
Perte de cuivre à n'importe quel niveau de charge
Si le courant de charge est
et le courant nominal est
, alors :
Alors oui-si vous chargez le transformateur à 50 %, les pertes de cuivre ne sont pas réduites de moitié ; ils tombent à environ un quart. C'est l'effet "carré" qui fait son effet.
Calcul de l'efficacité du transformateur
L'efficacité du transformateur vous indique la quantité d'énergie utile que vous consommez réellement, par rapport à ce que vous dépensez, pertes comprises :
Une manière plus pratique (en utilisant kVA, PF et fraction de charge)
Dans les calculs réels-, il est courant d'utiliser la valeur nominale en kVA et le facteur de puissance (PF). Une forme pratique est la suivante :
Quand l’efficacité atteint-elle son maximum ?
L’efficacité maximale se produit généralement lorsque :
Et dans de nombreux transformateurs de distribution, ce « point idéal » se situe souvent autour50 à 70 % de la pleine charge. (Ce n'est pas une loi de la nature, mais c'est un modèle courant.)
Exemple pratique (scénario travaillé)
Disons que nous avons un500 kVA, 11 kV/415 Vtransformateur de distribution avec données de test du fabricant :
Perte de cuivre à une charge donnée
Si la charge est
, alors:
Par exemple, à 50 % de charge :
C'est assez proche de la perte du cœur (1,8 kW), ce qui explique pourquoi le rendement est souvent le plus élevé autour de ce niveau de charge.
Pertes et efficacité à différentes charges (Unity PF)
(En utilisant Unity PF comme dans votre exemple d'origine.)
| Charger (%) | Charge kVA | Perte de cuivre (kW) | Perte totale (kW) | Puissance (kW) | Efficacité (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 25 | 125 | 0.39 | 2.19 | 125 | 98.27 |
| 50 | 250 | 1.55 | 3.35 | 250 | 98.68 |
| 75 | 375 | 3.49 | 5.29 | 375 | 98.61 |
| 100 | 500 | 6.20 | 8.00 | 500 | 98.43 |
Facteurs qui affectent les pertes du transformateur
Les pertes ne se produisent pas simplement ;-elles sont influencées par un ensemble de détails de conception et d'exploitation, tels que :
Matériau de base
Les meilleurs matériaux (comme l'acier au silicium de haute qualité- ou les alliages amorphes) réduisent généralement l'hystérésis.
Densité de flux de conception
Inférieur
facilite les pertes de cœur-mais cela peut nécessiter une taille de cœur plus grande.
Résistance d'enroulement
Des conducteurs plus épais/une résistance plus faible réduisent généralement les pertes de cuivre.
Température
La résistance augmente avec la température, donc les pertes de cuivre augmentent également. (Souvent corrigé selon une norme, comme 75 degrés, selon les conventions CEI/IEEE.)
Harmoniques dans la charge
Non-linear loads can add extra eddy currents and stray losses-so the "actual loss" can be worse than what you'd expect with a nice clean sinusoidal load.
Répartition typique des pertes (règle empirique)
Différents types/tailles de transformateurs ont tendance à répartir les pertes différemment. Un guide approximatif courant est :
Transformateurs de distribution plus petits: la perte du noyau peut être d'environ 25 à 40 %, celle du cuivre d'environ 60 à 75 %
Transformateurs de puissance (plus grands): perte du noyau ~30-50%, cuivre ~50-70%
Encore une fois, cela varie selon la conception-mais il s'agit d'une image mentale utile.
Récapitulatif-Résumé/Conclusion
Si vous calculez avec précision les pertes du transformateur, vous pouvez prendre des décisions plus judicieuses concernant :
comment dimensionner le transformateur,
comment le charger efficacement,
et comment planifier la maintenance avant que les choses ne deviennent coûteuses.
Les tests OC et SC fournissent des données solides-du monde réel, mais l'ingénierie moderne des transformateurs va souvent au-delà-en utilisant l'analyse par éléments finis pour estimer des éléments tels que les pertes parasites et les-températures des points chauds (où les risques de défaillance ont tendance à se cacher).
Avec la hausse des prix de l'électricité et des exigences d'efficacité plus strictes à l'échelle mondiale (pensez aux initiatives de type DOE/UE-), minimiser les pertes n'est plus seulement "agréable à avoir"- : c'est une véritable priorité économique et environnementale.
Conclusion :vérifiez toujours les données de la plaque signalétique et suivez les normes telles queCEI 60076lorsque vous avez besoin de valeurs de perte certifiées.
