Le calcul des pertes d’un transformateur immergé est un aspect crucial tant pour les constructeurs que pour les utilisateurs. En tant que fournisseur de transformateurs immergés, comprendre ces pertes nous aide non seulement à concevoir et à optimiser les produits, mais nous permet également de fournir des informations plus précises à nos clients. Dans ce blog, nous aborderons les différents types de pertes dans un transformateur immergé et les méthodes pour les calculer.
Types de pertes dans un transformateur immergé
Il existe deux principaux types de pertes dans un transformateur immergé : les pertes à vide et les pertes en charge.
Non - Pertes de charge
Les pertes à vide, également appelées pertes dans le noyau, se produisent lorsque le transformateur est sous tension mais qu'aucune charge n'est connectée au côté secondaire. Ces pertes sont principalement dues à deux facteurs : la perte par hystérésis et la perte par courants de Foucault.
Perte d'hystérésis
La perte d'hystérésis est causée par la magnétisation et la démagnétisation répétées du matériau du noyau du transformateur. Lorsqu'un courant alternatif traverse l'enroulement primaire, le champ magnétique dans le noyau change continuellement de direction. Le matériau du noyau possède une propriété appelée hystérésis, ce qui signifie que de l’énergie est nécessaire pour modifier l’orientation magnétique du matériau. La perte par hystérésis ($P_h$) peut être calculée à l'aide de la formule de Steinmetz :
$P_h = k_h f B_m^{n} V$
où $k_h$ est le coefficient de Steinmetz, qui dépend du matériau du noyau ; $f$ est la fréquence du courant alternatif ; $B_m$ est la densité de flux magnétique maximale dans le noyau ; $n$ est l'exposant de Steinmetz (généralement entre 1,5 et 2,5) ; et $V$ est le volume du noyau.
Perte par courants de Foucault
La perte par courants de Foucault est due aux courants induits dans le noyau. Lorsque le champ magnétique dans le noyau change, il induit des courants de circulation, appelés courants de Foucault, dans le matériau du noyau. Ces courants de Foucault provoquent une dissipation de puissance sous forme de chaleur. La perte par courants de Foucault ($P_e$) peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
$P_e=k_e f^{2} B_m^{2} t^{2} V$
où $k_e$ est une constante liée au matériau du noyau et à sa conductivité électrique, $t$ est l'épaisseur des stratifications du noyau.
La perte totale à vide ($P_{nl}$) est la somme de la perte par hystérésis et de la perte par courants de Foucault :
$P_{nl}=P_h + P_e$
Pertes de charge
Les pertes de charge, également appelées pertes de cuivre, se produisent lorsque le transformateur alimente une charge. Ces pertes sont principalement dues à la résistance des enroulements du transformateur. Lorsque le courant circule dans les enroulements, la puissance est dissipée sous forme de chaleur selon la loi de Joule.
La perte de charge ($P_{l}$) peut être calculée à l'aide de la formule :
$P_{l}=I^{2}R$
où $I$ est le courant circulant dans l'enroulement et $R$ est la résistance de l'enroulement. Dans un transformateur, la perte de charge est généralement mesurée au courant à pleine charge. Cependant, dans la pratique, la charge sur un transformateur peut varier. Pour tenir compte de la charge variable, la perte de charge à charge partielle peut être calculée à l'aide de la relation suivante :
$P_{l}(x)=x^{2}P_{lfl}$
où $x$ est la fraction du courant à pleine charge ($x = \frac{I}{I_{fl}}$), et $P_{lfl}$ est la perte de charge à pleine charge.
Facteurs affectant les pertes du transformateur
Matériau de base
Le choix du matériau du noyau a un impact significatif sur les pertes à vide. Par exemple,Transformateur en métal amorpheutilisez des noyaux en métal amorphe, qui présentent une hystérésis et des pertes par courants de Foucault bien inférieures à celles des noyaux traditionnels en acier au silicium. En effet, les métaux amorphes ont une structure atomique plus aléatoire, ce qui réduit l'énergie nécessaire à la magnétisation et à la démagnétisation.
Conception d'enroulement
La conception des enroulements, y compris la section transversale et la longueur des conducteurs, affecte les pertes de charge. Une plus grande section transversale des conducteurs d'enroulement réduit la résistance et donc les pertes de charge. Cependant, cela augmente également le coût et la taille du transformateur.
Conditions de fonctionnement
La température de fonctionnement et le facteur de charge affectent également les pertes du transformateur. À mesure que la température augmente, la résistance des conducteurs du bobinage augmente, ce qui entraîne des pertes de charge plus élevées. Le facteur de charge, qui est le rapport entre la charge moyenne et la charge maximale, détermine la charge réelle du transformateur au fil du temps. Un facteur de charge plus élevé signifie que le transformateur fonctionne plus près de sa capacité à pleine charge pendant une période plus longue, ce qui entraîne des pertes de charge plus élevées.
Calcul des pertes totales du transformateur
La perte totale du transformateur ($P_{total}$) est la somme de la perte à vide et de la perte de charge :
$P_{total}=P_{nl}+P_{l}$
Pour calculer la perte totale à une charge donnée, nous calculons d'abord la perte à vide, qui est constante quelle que soit la charge. Ensuite, nous calculons la perte de charge en fonction du courant de charge réel en utilisant la formule des pertes de charge partielle.
Par exemple, si un transformateur a une perte à vide de 1 000 W et une perte à pleine charge de 5 000 W, et qu'il fonctionne à 50 % de sa capacité à pleine charge, la perte de charge à cette charge partielle est :
$P_{l}(0,5)=0,5^{2}\times5000 = 1250$ W
La perte totale à 50 % de charge est :
$P_{total}=1000 + 1250=2250$ W
Importance du calcul des pertes
Un calcul précis des pertes du transformateur est essentiel pour plusieurs raisons. Premièrement, cela aide à la conception et à la sélection des transformateurs. En minimisant les pertes, nous pouvons améliorer l’efficacité du transformateur, ce qui réduit la consommation d’énergie et les coûts d’exploitation. Deuxièmement, le calcul des pertes est important pour déterminer l’échauffement du transformateur. Des pertes plus élevées entraînent une génération de chaleur accrue, ce qui peut affecter la durée de vie de l'isolation et la fiabilité du transformateur.
Étude de cas :Transformateur triphasé
Considérons unTransformateur triphasé immergé dans l'huileavec les spécifications suivantes :
- Non - perte de charge ($P_{nl}$) : 2 000 W
- Perte à pleine charge ($P_{lfl}$) : 8 000 W
- Puissance nominale : 1000 kVA
Si le transformateur fonctionne à 70 % de sa capacité à pleine charge, nous pouvons calculer la perte de charge à cette charge partielle :
$x = 0,7$
$P_{l}(0,7)=0,7^{2}\times8000=3920$ W
La perte totale à 70 % de charge est :
$P_{total}=2000 + 3920 = 5920$ W
Conclusion
Calculer les pertes d’un transformateur immergé est une tâche complexe mais importante. En comprenant les différents types de pertes, les facteurs qui les affectent et les méthodes pour les calculer, nous pouvons concevoir et sélectionner des transformateurs plus efficaces. En tant que fournisseur de transformateurs immergés, nous nous engageons à fournir des produits de haute qualité avec de faibles pertes. Si vous êtes intéressé par nos produits ou si vous avez besoin de plus d'informations sur les pertes des transformateurs, n'hésitez pas à nous contacter pour l'achat et d'autres discussions.
Références
- Systèmes d'alimentation électrique par J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma, Thomas J. Overbye
- Ingénierie des transformateurs : conception, technologie et diagnostics par George Karady et James G. McCalley