26.2 : Circuits équivalents pour transformateurs pratiques

Les circuits équivalents pratiques des transformateurs monophasés à deux enroulements présentent des écarts importants par rapport à leurs versions idéalisées en raison des propriétés inhérentes à la résistance des enroulements et à la perméabilité finie du noyau. Ces propriétés entraînent des pertes de puissance réelle et réactive, affectant les performances du transformateur. Il est essentiel de comprendre ces écarts pour concevoir des transformateurs plus efficaces.

Dans un transformateur pratique, chaque enroulement présente une résistance et une réactance de fuite. La résistance de l'enroulement contribue aux pertes résistives, qui se manifestent sous forme de chaleur, tandis que la réactance de fuite, associée au flux de fuite, provoque une chute de tension et entraîne une perte de puissance réactive. Ces éléments sont modélisés en série, avec chaque enroulement dans le circuit équivalent du transformateur, ce qui fournit une représentation plus précise du comportement du transformateur dans des conditions de charge.

La perméabilité finie du noyau du transformateur implique qu'une force magnétomotrice (FMM) non nulle est requise, comme le décrit la loi d'Ohm pour les circuits magnétiques. Cette exigence se traduit par un courant magnétisant, essentiel pour établir le flux magnétique dans le noyau. Lorsque la tension induite aux bornes de l'enroulement primaire est prise en compte, le courant magnétisant est en retard de 90 degrés sur la tension induite. Cette relation est représentée par un inducteur shunt dans le circuit équivalent, modélisant avec précision la composante de puissance réactive due à la magnétisation du noyau.

Les pertes dans le noyau, principalement dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault dans le matériau du noyau, sont représentées par une résistance shunt dans le circuit équivalent. Cette résistance modélise le courant de perte dans le noyau, qui est en phase avec la tension induite. Lorsque le courant de l'enroulement secondaire est nul, le courant primaire comprend deux composantes : le courant magnétisant et le courant de perte dans le noyau. Ces composantes sont responsables respectivement des pertes de puissance réactive et réelle.

Pour réduire ces pertes, on utilise souvent de l'acier allié de haute qualité pour le matériau du noyau. Ce matériau possède des propriétés magnétiques supérieures, réduisant l'hystérésis et les pertes par courants de Foucault, améliorant ainsi l'efficacité du transformateur.

Trois circuits alternatifs équivalents principaux peuvent être construits pour un transformateur pratique:

1. Lorsque la résistance et la réactance de fuite se réfèrent à l'enroulement primaire.
2. Lorsque le courant d'excitation (la somme des courants de magnétisation et de perte de noyau) est négligé pour plus de simplicité.
3. Lorsque les résistances d'enroulement sont ignorées, on se concentre uniquement sur les composants réactifs.

Chacun de ces circuits équivalents fournit des informations sur différents aspects des performances des transformateurs et simplifie l'analyse pour des applications spécifiques. En comprenant et en modélisant ces caractéristiques non idéales, les ingénieurs peuvent concevoir des transformateurs qui répondent mieux aux exigences de divers systèmes électriques.