Les transformateurs sont des composants indispensables des réseaux électriques. Leur fonction principale, l'élévation ou l'abaissement des niveaux de tension, rend possible et efficace le transport et la distribution d'électricité sur de longues distances. Cependant, comme tout appareil électrique, les transformateurs ne sont pas exempts d'imperfections. Un inconvénient majeur est la perte de puissance en fonctionnement, principalement sous forme de chaleur. Cette chaleur doit être gérée efficacement car elle réduit la puissance de sortie globale.affecte les performances de l'huile du transformateuret d'autres composants clés, et exerce une pression supplémentaire sur les systèmes d'isolation et de refroidissement.

Ces inefficacités opérationnelles affectent les performances des transformateurs, augmentent les coûts d'exploitation et nécessitent des stratégies de maintenance pour garantir leur fiabilité à long terme. Les pertes des transformateurs se répartissent en deux catégories : les pertes en charge et les pertes à vide. Il est essentiel de comprendre ces deux types de pertes pour améliorer l'efficacité du système, minimiser les temps d'arrêt et optimiser la gestion des coûts.

Que sont les pertes d'un transformateur ?

Pour comprendre les conséquences des pertes des transformateurs, il est essentiel de maîtriser le facteur de puissance, paramètre clé des systèmes électriques. Le facteur de puissance est le rapport entre le travail utile fourni (ou « puissance active ») et la puissance totale fournie au système (ou « puissance apparente »). Idéalement, un facteur de puissance de 1 (ou unitaire) est préférable, car il indique une utilisation optimale de toute la puissance fournie. En pratique, cependant, le facteur de puissance est souvent inférieur à 1, ce qui engendre des pertes et une surcharge des équipements électriques.

Un faible facteur de puissance oblige le transformateur à consommer davantage de courant pour fournir la même quantité d'énergie utilisable. Ce courant excessif augmente non seulement la production de chaleur, mais contribue également à l'usure prématurée des équipements. Par conséquent, il est essentiel de comprendre la nature et les causes des pertes des transformateurs, notamment en lien avec le facteur de puissance, afin d'optimiser la consommation d'énergie et de préserver la santé du système.

Les pertes des transformateurs peuvent être globalement classées en :

· Pertes de charge (pertes par effet Joule)– Se produit lorsque le transformateur fournit de l'énergie à une charge.

· Pertes à vide (pertes dans le fer)– Se produit même lorsqu'aucune charge n'est connectée.

Examinons chaque type plus en détail, y compris les mécanismes qui les sous-tendent et comment ils peuvent être minimisés.

Pertes de charge

Les pertes en charge surviennent lorsque le transformateur est sous charge, c'est-à-dire lorsqu'il transmet activement de l'énergie électrique. Ces pertes proviennent de la résistance des enroulements (généralement en cuivre ou en aluminium), qui provoque une dissipation d'énergie sous forme de chaleur. C'est pourquoi les termes « pertes par effet Joule » et « pertes en charge » sont souvent utilisés indifféremment.

Ces pertes se produisent dans les enroulements primaire et secondaire et sont proportionnelles au carré du courant de charge (pertes par effet Joule). Cela signifie que même une légère augmentation du courant peut entraîner des pertes d'énergie nettement supérieures. Un faible facteur de puissance accentue ce problème, car un courant plus important est nécessaire pour fournir la même puissance active. Par exemple, si le courant est doublé, les pertes par effet Joule sont multipliées par quatre.

Cette chaleur réduit non seulement l'efficacité de la distribution d'énergie, mais contribue également aux contraintes thermiques, susceptibles de dégrader l'isolation et d'autres composants internes au fil du temps. Pour limiter les pertes par effet Joule, plusieurs techniques sont mises en œuvre :

Techniques pour réduire les pertes de charge

1. Choix du matériau conducteur
Le cuivre demeure le matériau de prédilection en raison de sa conductivité supérieure, mais l'aluminium est également utilisé dans les transformateurs de grande taille où le poids et le coût sont des facteurs importants. Le choix du matériau doit trouver un juste équilibre entre performance et rentabilité.

2. Optimisation de la conception de l'enroulement
Les ingénieurs peuvent concevoir des enroulements pour assurer une distribution uniforme du courant et réduire la résistance. Des techniques telles que le câblage en série (utilisation de plusieurs conducteurs plus fins en parallèle) contribuent à réduire les effets des courants de Foucault et à améliorer les performances thermiques.

3. Ajustements de la section transversale
L'augmentation de la section des enroulements diminue la résistance électrique et réduit les pertes par effet Joule (I²R). Cependant, il faut trouver un équilibre entre cet avantage et l'augmentation du coût des matériaux et de l'encombrement.

4. Systèmes de refroidissement efficaces
Des mécanismes de refroidissement améliorés, tels que la circulation d'air forcée ou d'huile, sont utilisés pour dissiper efficacement la chaleur.Fluides pour transformateursIls jouent également un rôle clé dans le maintien de l'équilibre thermique et la prévention des défaillances de l'isolation.

Dans les milieux industriels, les principes impliqués dans...rebobinage de moteur électriquepeut également être adapté pour restaurer les performances des enroulements du transformateur et réduire les pertes excessives causées par la dégradation de l'isolation ou une géométrie d'enroulement inadéquate.

Pertes à vide (également appelées pertes dans le noyau)

Les pertes à vide correspondent à l'énergie dissipée lorsque le transformateur est alimenté mais ne fournit aucune charge externe. Ces pertes sont dues au champ magnétique alternatif présent dans le noyau du transformateur, nécessaire à la transformation de la tension. Même à vide, le noyau consomme de l'énergie pour maintenir ses cycles de magnétisation.

Deux mécanismes principaux contribuent aux pertes de base :

1. Pertes par courants de Foucault
Il s'agit de courants de circulation induits dans le matériau du noyau, provoqués par la variation du champ magnétique. Ces courants génèrent de la chaleur et sont responsables des pertes d'énergie au sein du noyau.

2. Pertes par hystérésis
Ces pertes par hystérésis sont dues au réalignement par friction des domaines magnétiques au sein du matériau du noyau lors des cycles répétés d'aimantation et de désaimantation. La fréquence des inversions magnétiques, la composition du matériau du noyau et la densité de flux magnétique sont autant de facteurs qui influencent ces pertes.

Contrairement aux pertes en charge, les pertes fer sont relativement constantes et peu affectées par la charge du transformateur. Cependant, les variations du courant de magnétisation, notamment en cas de faible facteur de puissance, peuvent légèrement les accroître.

Techniques pour réduire les pertes à vide

1. Sélection des matériaux de base
L'acier au silicium est depuis longtemps la norme dans l'industrie pour les noyaux de transformateurs en raison de ses faibles pertes par hystérésis et de sa résistivité électrique élevée. Cependant, l'acier amorphe gagne en popularité grâce à ses pertes d'énergie encore plus faibles.

2. Conception de base améliorée
La conception de noyaux avec des trajets magnétiques plus courts et une distribution de flux uniforme contribue à réduire les pertes par courants de Foucault et par hystérésis.

3. Lamination
Le laminage du noyau à l'aide de feuilles minces et isolantes limite la formation de courants de Foucault en augmentant la résistance au passage du courant. Cette méthode demeure l'un des moyens les plus efficaces de réduire les pertes à vide.

Dans les applications de haute précision,test d'huile de transformateur de puissanceCette opération est fréquemment effectuée pour évaluer l'état de l'isolation et détecter les premiers signes de surchauffe du noyau, qui peuvent résulter de pertes à vide élevées.

Problèmes de pertes des transformateurs d'équilibrage

La conception et le choix d'un transformateur nécessitent une analyse approfondie des modes d'utilisation afin de trouver un équilibre entre la réduction des pertes en charge et à vide.

· Pour les systèmes fonctionnant sous forte charge pendant des périodes prolongéesIl convient de privilégier la réduction des pertes de cuivre en améliorant la qualité des conducteurs et l'efficacité du refroidissement.

· Pour les systèmes qui restent inactifs ou sous faible charge pendant de longues durées, il est crucial de minimiser les pertes à vide. Dans de tels cas, opter pour des matériaux de noyau à faibles pertes comme l’acier amorphe peut générer des économies significatives.

L'adaptation de la conception du transformateur à son application prévue garantit non seulement l'efficacité énergétique, mais aussi une durée de vie prolongée de l'équipement et une fréquence de maintenance réduite.

Conclusion

Les pertes dans les transformateurs, qu'elles surviennent en fonctionnement ou à vide, sont inévitables dans la distribution d'énergie électrique. Toutefois, la compréhension des causes et des caractéristiques de ces pertes permet aux gestionnaires d'installations de mettre en œuvre des stratégies visant à réduire les inefficacités, à diminuer les coûts et à prolonger la durée de vie des transformateurs. Grâce à une conception soignée, au choix judicieux des matériaux et à des pratiques de maintenance régulières, incluant des techniques telles que le rebobinage et l'optimisation du noyau, il est possible de réduire considérablement ces pertes.