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Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes :
• les pertes à vide (P0), appelées aussi pertes fer
• les pertes dues à la charge (Pk), auxquelles s’ajoutent les pertes supplémentaires générées par les harmoniques de courant.
Ces pertes se produisent dès que le transformateur est sous-tension : elles sont liées à la tension du réseau d’alimentation qui crée un flux dans le circuit magnétique du transformateur. Ces pertes dépendent de la fréquence et de la tension appliquée. En pratique, la fréquence fondamentale des réseaux électriques est très stable, et si l’on considère que les harmoniques de tension côté primaire ont peu d’impact, les pertes à vide sont constantes et indépendantes de la charge du transformateur.
Elles se composent :
1. Des pertes par hystérésis
Elles sont dues à la variation du fl ux dans le circuit magnétique. Ces pertes dépendent du type de matériau utilisé pour la construction du circuit magnétique du transformateur et sont proportionnelles à la fréquence. Les pertes par hystérésis peuvent aujourd’hui être réduites par le choix de tôles à grains orientés laminées à froid et améliorées par un traitement laser. Les pertes par hystérésis sont responsables de plus de la moitié des pertes à vide (entre 50 et 60 %).
2. Des pertes par courant de Foucault3
Elles sont dues à la variation du flux dans le circuit magnétique, produisant des courants de Foucault.
Elles dépendent de l’épaisseur, de la résistivité du matériau et du carré de la fréquence.
Les pertes par courant de Foucault représentent 40 à 50 % des pertes à vide.
Les pertes à vide représentent en moyenne de 0,1 à 0,2 % de la puissance assignée Sn.
Elles sont composées des :
1. Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC)4 ;
2. Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE)5 ;
3. Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE)6 pertes parasites dans les parties structurelles
métalliques (PSE)7.
Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carré du courant traversant les enroulements. Ces pertes sont liées au fondamental du courant ainsi qu’aux courants harmoniques dont il faut connaître le spectre et l’amplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroître les pertes dues à la charge.
Les pertes Joule
Ces pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causées par la résistance du conducteur. Leur
amplitude varie en fonction du carré du courant de charge et est proportionnelle à la résistance du bobinage. Elles peuvent être réduites en augmentant la section du conducteur.
Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements
Le courant alternatif, lié au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements,
engendre un champ magnétique. Ce champ va être à l’origine de courants induits appelés courants de Foucault, se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques supplémentaires également appelés pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (PWE).
Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles métalliques. Un conducteur parcouru par un courant alternatif va créer un champ d’induction variable générant un courant induit dans les parties métalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes supplémentaires, ces pertes sont appelées pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles métalliques (PSE) et dans les connexions à fort courant (PCE).
Les pertes dues à la charge représentent en moyenne de 0,7 à 1% de la puissance nominale assignée (à 100% de la charge).
Ces pertes ont pour origine la puissance réactive et les courants harmoniques.
Les courants harmoniques sont des courants dont la fréquence est un multiple de la fréquence principale, provoqués par les charges non linéaires du réseau (comme les ordinateurs, certains variateurs de vitesse…).
Ils ont des répercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs : non seulement ils augmentent les pertes en charge de façon plus que proportionnelle à l’augmentation de la charge mais aussi la température des enroulements et de la structure métallique du transformateur, réduisant ainsi la durée de vie du transformateur.
Les pertes générées par les courants de Foucault dépendent du carré de la fréquence ; aussi la présence d’harmoniques multiples de la fréquence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes supplémentaires dans les enroulements et les parties structurelles métalliques.
Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant effi cace, non seulement cela constitue déjà un facteur d’accroissement des pertes, mais en plus, la fréquence des composantes harmoniques accentue cet accroissement
Il y a deux approches pour évaluer l’effet des courants harmoniques sur les pertes :
• Le facteur K
• Le calcul des pertes, qui nécessite la connaissance précise des caractéristiques du transformateur utilisé.
Le facteur K, ou facteur de déclassement, est le plus souvent utilisé car il est simple à calculer et à exploiter. Il permet d’estimer le taux du déclassement du transformateur, en calculant l’infl uence des courants harmoniques sur la charge du transformateur. On estime ainsi de combien un transformateur standard est déclassé, pour que les pertes totales dues à une charge non linéaire ne dépassent pas les pertes prévues pour la fréquence fondamentale lors de la conception du transformateur.
Il n’y a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes à vide car elles ne sont pas infl uencées par les charges. Par contre, deux moyens externes permettent de réduire les pertes supplémentaires dues à la charge.
1. Compensation réactive (batterie de condensateurs)
Cette compensation permet d’optimiser l’utilisation de la puissance du transformateur et de réduire les pertes à 50 Hz.
2. Filtrage des courants harmoniques
Les pertes s’accroissent avec les courants harmoniques. Il existe plusieurs solutions de réduction des courants harmoniques dans les réseaux pollués : connaissance et réduction du taux d’harmoniques à la source, utilisation d’inductances anti-harmoniques en série avec les condensateurs de compensation du réactif, insertion de filtre passif et/ou actifs, etc.
3 Phénomène découvert par le physicien français Léon Foucault en 1851
4 P DC : Direct Current Loss
5 P WE : Winding Eddy Loss
6 P CE : Connection Eddy loss
7 P SE : Structural Stray Loss
Source : ADEME - Guide du transformateur de distribution et économies d’énergie
Crédit photo : ©ADEME
