Comment choisir un transformateur : Calculateur et dimensionnement des transformateurs

Un transformateur est un appareil électrique passif qui utilise l'induction électromagnétique pour transférer l'énergie électrique d'un circuit à un autre. Le choix du transformateur approprié pour une application nécessite de prendre en compte plusieurs facteurs, tels que la tension, le courant, le type de charge, l'efficacité, l'environnement et le coût. Cet article fournit un guide étape par étape sur le choix d'un transformateur et l'analyse des différentes puissances d'un transformateur.

Table des matières

• Choix d'un transformateur
• Calculateur de la charge nominale du transformateur
• Capacité de charge du transformateur
• Calcul de l'efficacité des transformateurs
• Calculateur de puissance de transformateur
• Pertes du transformateur
• Comment réduire les pertes des transformateurs
• FAQ

Choix d'un transformateur

Lisez notre article de synthèse sur les transformateurs pour plus d'informations sur leur fonctionnement, leur construction et leurs types. Les transformateurs sont disponibles dans de nombreux modèles, spécifications et tailles. Il est important de prendre en compte les éléments suivants :

• Montez ou descendez : Choisissez un transformateur élévateur ou abaisseur en fonction des exigences spécifiques de l'application. Par exemple, lorsque vous travaillez sur un redresseur, pour réduire la tension d'alimentation de 230 à 12 volts, choisissez un transformateur abaisseur 230-12 volts.

Note : La tension et la fréquence de l'alimentation principale varient d'un pays à l'autre. Les pays comme les États-Unis utilisent une alimentation principale de 120 volts à 60 Hz, tandis que les pays européens comme le Royaume-Uni, les Pays-Bas et l'Allemagne utilisent une alimentation de 230 volts à 50 Hz. Choisissez le transformateur en conséquence. Pour plus de détails, voir la liste complète des pays avec les tensions d'alimentation et les fréquences de fonctionnement correspondantes.

• Spécifications de tension et de courant : L'étape suivante du choix du transformateur consiste à déterminer les exigences de la charge en matière de courant et de tension.
  • Si un bâtiment dispose d'une alimentation en courant alternatif de 240V et a besoin de 120V pour l'équipement électrique, choisissez un transformateur 240-120V.

Note : En général, les tensions primaire et secondaire sont indiquées dans les spécifications du transformateur. Mais dans des cas exceptionnels, comme pour un transformateur de courant, les courants primaire et secondaire sont indiqués à la place.

• VA : Déterminez la puissance requise par la charge (VA) lors de la sélection d'un transformateur, car les transformateurs sont généralement spécifiés en fonction de leurs tensions primaire et secondaire et de leurs valeurs VA. Il est nécessaire de déterminer ces valeurs à l'avance pour sélectionner le transformateur approprié à l'application spécifique.

Calculateur de la charge nominale du transformateur

La charge nominale (puissance apparente) d'un transformateur est mesurée en VA (Volt-Ampère). La puissance nominale représente la puissance totale que le transformateur peut fournir à la charge. Pour calculer la charge nominale nécessaire :

1. Déterminer les besoins en courant et en tension de la charge.
2. Multipliez le courant de charge en ampères (I) et la tension (V) pour obtenir le VA (ou charge nominale) du transformateur.

1. Pour un transformateur monophasé,

2. Pour un transformateur triphasé,

Note : Les petits transformateurs évaluent leur puissance en volts-ampères, mais les transformateurs de puissance beaucoup plus importants sont évalués en kilo volts-ampères (kVA) et en méga volts-ampères (MVA). Par conséquent, les VA, kVA et MVA sont des unités similaires. Par exemple, 6 VA est égal à 0,006 kVA.

Lisez nos articles sur les transformateurs monophasés et triphasés pour plus d'informations sur leur fonctionnement et leur conception.

Capacité de charge du transformateur

La capacité de charge d'un transformateur est la quantité maximale d'énergie électrique qu'il peut traiter efficacement et en toute sécurité sans surchauffe ni dommage. Par exemple, un transformateur d'une valeur nominale de 200 VA peut supporter 200 volts à un ampère de courant ou 100 volts à deux ampères de courant.

Connaissant la valeur VA du transformateur, il est possible de déterminer le courant à travers la charge en réarrangeant l'équation pour VA.

1. Obtenir la valeur nominale en VA du transformateur.
2. Déterminer la tension requise pour la charge.
3. Réarrangez l'équation pour VA afin de résoudre le courant. Par exemple, pour un transformateur monophasé.

Note : Il n'est pas recommandé de charger un transformateur à plus de 80 % de sa valeur nominale en VA. Après avoir calculé la VA, divisez la valeur par 0,8 pour obtenir la VA minimale nécessaire. Un électricien ou un ingénieur en électricité doit vérifier et confirmer toutes les valeurs pour des raisons de sécurité.

Exemple

Calculer la puissance nominale d'un transformateur monophasé avec une tension de charge de 24 volts et un courant de phase de charge maximal de 5 ampères.

La valeur nominale en VA du transformateur = (V × I)= (24 × 5) = 120 VA

En divisant la VA par 0,8, on obtient la VA révisée = 150

Choisissez un transformateur d'une valeur nominale d'environ 150 VA pour la charge.

Calcul de l'efficacité des transformateurs

Le rendement d'un transformateur est donné par

Dans le cas des transformateurs, la puissance primaire est généralement appelée volt-ampères (VA) pour la distinguer de la puissance secondaire. Par conséquent, l'efficacité est donnée par :

Les transformateurs ont un rendement élevé en raison de l'absence de pièces mobiles. Les transformateurs sont également appelés machines statiques à courant alternatif. Le rendement d'un transformateur de puissance bien conçu est très élevé, avec une moyenne de plus de 98 %. Les seules pertes sont dues aux pertes du noyau, au maintien du champ magnétique alternatif, aux pertes de résistance dans les bobines et à l'énergie utilisée pour le refroidissement.

Calculateur de puissance de transformateur

Facteur de puissance

Dans un circuit à courant alternatif, le facteur de puissance est le cosinus du déphasage entre la tension et le courant. Le facteur de puissance représente la fraction de la puissance nominale (puissance apparente) qui est consommée (puissance réelle) par un circuit.

• PF : Facteur de puissance
• 𝛷 : Le déphasage entre la tension et le courant dans le circuit

Un faible facteur de puissance signifie qu'un courant plus élevé est nécessaire pour fournir une quantité donnée de puissance réelle à la charge, ce qui entraîne des pertes d'énergie plus importantes et une efficacité réduite. Le facteur de puissance permet également de calculer la puissance totale que le transformateur peut supporter sans surcharge.

Triangle de pouvoir

La puissance apparente, la puissance réelle et la puissance active peuvent être représentées dans un triangle à angle droit appelé triangle de puissance (figure 4).

• S : Puissance apparente (puissance nominale) mesurée en VA
• Q : Puissance réactive mesurée en VAR. La puissance réactive est consommée lorsqu'une charge inductive comme le moteur est connectée, créant une différence de phase entre la tension et le courant.
• P : Puissance active mesurée en watts. L'énergie active est l'énergie qui génère un travail réel.
• 𝛷 : Le déphasage entre la tension et le courant dans le circuit

Utilisez la figure 3 pour dériver la relation entre les différents types de puissance dans un transformateur.

• Puissance réactive

• Puissance active

• Puissance apparente

• Facteur de puissance

Pertes du transformateur

Les sources de pertes de puissance dans un transformateur sont multiples.

• Perte de cuivre : Les pertes de cuivre sont causées par des courants circulant autour des enroulements en cuivre du transformateur.
• Perte de noyau (perte de fer) : Les pertes de fer sont dues aux courants de Foucault et à l'hystérésis qui se produisent dans le noyau en raison du flux alternatif.
• Perte diélectrique : Une perte diélectrique est observée dans le matériau isolant du transformateur. Si l'huile se détériore ou si l'isolation solide est endommagée, la qualité du système diminue, ce qui affecte l'efficacité globale du transformateur.

Comment réduire les pertes des transformateurs

Les différentes pertes dans un transformateur peuvent provoquer une surchauffe de l'appareil, entraînant des dommages et une réduction de la durée de vie du transformateur. Il est nécessaire de réduire ces pertes pour améliorer l'efficacité des transformateurs et assurer la performance optimale du système électrique. Les mesures courantes sont les suivantes

1. Utiliser des fils de cuivre plus gros dans les enroulements du transformateur pour réduire les pertes de cuivre.
2. Utiliser un matériau magnétique de haute qualité, comme l'acier au silicium, avec la plus petite surface de boucle d'hystérésis pour réduire les pertes de fer ou de noyau.
3. Empiler des feuilles minces lors de la fabrication du noyau du transformateur ; cela réduit les pertes dues aux courants de Foucault.
4. Testez régulièrement l'huile et maintenez la qualité de l'isolation pour réduire la perte diélectrique.

FAQ

Comment dimensionner un transformateur ?

Pour dimensionner un transformateur, il faut déterminer les exigences de charge du système électrique en termes de tension et de courant, puis choisir un transformateur d'une valeur nominale en kVA appropriée en fonction des exigences de charge.

Comment calculer le VA d'un transformateur ?

Pour calculer la valeur VA (Volt-Ampère) d'un transformateur, il faut calculer le produit de la tension et de l'intensité nominales du transformateur.

Quelle est la taille des transformateurs monophasés en kVA ?

Les tailles standard en kVA pour les transformateurs monophasés sont les suivantes : 1, 1,5, 2, 3, 5, 7,5, 10, 15, 25, 37,5, 50, 75, 100, 167, 200, 250 et 333 (KVA)

Un transformateur est-il efficace à 100 % ?

Le rendement d'un transformateur est inférieur à 100 % en raison des différents types de pertes à l'intérieur du dispositif, comme les pertes dans le noyau, les pertes dans le cuivre et les pertes diélectriques.