Comme nous l’avons vu dans quelques analyses SPICE plus tôt dans ce chapitre, la tension de sortie d’un transformateur varie avec des résistances de charge variables, même avec une entrée de tension constante.
Le degré de variance est affecté par les inductances d’enroulement primaire et secondaire, entre autres facteurs, dont la résistance d’enroulement et le degré d’inductance mutuelle (couplage magnétique) entre les enroulements primaire et secondaire.
Pour les applications de transformateur de puissance, où le transformateur est vu par la charge (idéalement) comme une source de tension constante, il est bon que la tension secondaire varie le moins possible pour de grandes variations de courant de charge.
Formule de régulation de tension
La mesure de la capacité d’un transformateur de puissance à maintenir une tension secondaire constante sur une plage de courants de charge est appelée régulation de tension du transformateur. Il peut être calculé à partir de la formule suivante:
Qu’est-ce que la « Pleine charge »?
« Pleine charge » désigne le point où le transformateur fonctionne au courant secondaire maximal admissible. Ce point de fonctionnement sera déterminé principalement par la taille du fil d’enroulement (ampacité) et la méthode de refroidissement du transformateur.
En prenant notre première simulation de transformateur SPICE comme exemple, comparons la tension de sortie avec une charge de 1 kΩ par rapport à une charge de 200 Ω (en supposant que la charge de 200 Ω sera notre condition de « pleine charge »). Rappelez-vous si vous voulez que notre tension primaire constante était de 10,00 volts CA:
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1k ohm load freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200 ohm load
Remarquez comment la tension de sortie diminue à mesure que la charge s’alourdit (plus de courant). Prenons maintenant ce même circuit de transformateur et plaçons une résistance de charge d’une magnitude extrêmement élevée sur l’enroulement secondaire pour simuler une condition « à vide »: (Voir la liste des épices « transformateur »)
transformer v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 100 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 9e12 .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .end
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04 freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 Output with (almost) no load
Ainsi, nous voyons que notre tension de sortie (secondaire) s’étend sur une plage de 9.990 volts à (pratiquement) vide et de 9.348 volts au point que nous avons décidé d’appeler « pleine charge. »En calculant la régulation de tension avec ces chiffres, nous obtenons:
Incidemment, cela serait considéré comme une régulation plutôt médiocre (ou « lâche ») pour un transformateur de puissance. En alimentant une charge résistive simple comme celle-ci, un bon transformateur de puissance devrait présenter un pourcentage de régulation inférieur à 3%.
Les charges inductives ont tendance à créer une condition de régulation de tension plus mauvaise, donc cette analyse avec des charges purement résistives était une condition « dans le meilleur des cas ».
Applications nécessitant une régulation » médiocre »
Il existe cependant certaines applications où une régulation médiocre est réellement souhaitée. Un tel cas est dans l’éclairage à décharge, où un transformateur élévateur est nécessaire pour générer initialement une haute tension (nécessaire pour « allumer » les lampes), puis la tension devrait chuter une fois que la lampe commence à tirer du courant.
En effet, les exigences de tension des lampes à décharge ont tendance à être beaucoup plus faibles après qu’un courant a été établi à travers le trajet de l’arc. Dans ce cas, un transformateur élévateur avec une mauvaise régulation de tension suffit bien pour la tâche de conditionnement de la puissance de la lampe.
Une autre application concerne le contrôle du courant pour les soudeuses à l’arc AC, qui ne sont rien de plus que des transformateurs abaisseurs fournissant une puissance basse tension et à courant élevé pour le processus de soudage.
Une tension élevée est souhaitée pour aider à « frapper » l’arc (à le démarrer), mais comme la lampe à décharge, un arc ne nécessite pas autant de tension pour se maintenir une fois que l’air a été chauffé au point d’ionisation. Ainsi, une diminution de la tension secondaire sous un courant de charge élevé serait une bonne chose.
Certaines conceptions de soudeuses à l’arc fournissent un réglage du courant d’arc au moyen d’un noyau de fer mobile dans le transformateur, monté ou sorti de l’ensemble d’enroulement par l’opérateur.
En éloignant le limon de fer des enroulements, on réduit la force du couplage magnétique entre les enroulements, ce qui diminue la tension secondaire à vide et réduit la régulation de la tension.
Transformateur ferrorésonant
Aucune exposition sur la régulation du transformateur ne peut être qualifiée d’complète sans mentionner un dispositif inhabituel appelé transformateur ferrorésonant.
La « ferrorésonance » est un phénomène associé au comportement des noyaux de fer lorsqu’ils fonctionnent près d’un point de saturation magnétique (où le noyau est si fortement magnétisé qu’une augmentation supplémentaire du courant d’enroulement entraîne peu ou pas d’augmentation du flux magnétique).
Bien qu’il soit quelque peu difficile à décrire sans entrer en profondeur dans la théorie électromagnétique, le transformateur ferrorésonant est un transformateur de puissance conçu pour fonctionner dans un état de saturation persistante du cœur.
C’est-à-dire que son noyau de fer est « bourré » de lignes magnétiques de flux pendant une grande partie du cycle alternatif, de sorte que les variations de tension d’alimentation (courant d’enroulement primaire) ont peu d’effet sur la densité de flux magnétique du noyau, ce qui signifie que l’enroulement secondaire émet une tension presque constante malgré des variations importantes de tension d’alimentation (enroulement primaire).
Circuits de résonance dans les transformateurs Ferrorésonants
Normalement, la saturation du cœur dans un transformateur entraîne une distorsion de la forme de l’onde sinusoïdale, et le transformateur ferrorésonant ne fait pas exception. Pour lutter contre cet effet secondaire, les transformateurs ferrorésonants ont un enroulement secondaire auxiliaire parallèle à un ou plusieurs condensateurs, formant un circuit résonnant accordé à la fréquence d’alimentation.
Ce « circuit de réservoir » sert de filtre pour rejeter les harmoniques créées par la saturation du cœur et offre l’avantage supplémentaire de stocker de l’énergie sous forme d’oscillations alternatives, ce qui est disponible pour maintenir la tension d’enroulement de sortie pendant de brèves périodes de perte de tension d’entrée (millisecondes, mais certainement mieux que rien).
Le transformateur ferrorésonant assure la régulation de la tension de la sortie.
En plus de bloquer les harmoniques créées par le noyau saturé, ce circuit résonant « filtre » également les fréquences harmoniques générées par des charges non linéaires (de commutation) dans le circuit d’enroulement secondaire et toutes les harmoniques présentes dans la tension de la source, fournissant une puissance « propre » à la charge.
Les transformateurs ferrorésonants offrent plusieurs fonctionnalités utiles dans le conditionnement de courant alternatif: tension de sortie constante étant donné des variations importantes de tension d’entrée, un filtrage harmonique entre la source d’alimentation et la charge, et la capacité de « traverser » de brèves pertes de puissance en gardant une réserve d’énergie dans son circuit de réservoir résonant.
Ces transformateurs sont également très tolérants aux charges excessives et aux surtensions transitoires (momentanées). Ils sont si tolérants, en fait, que certains peuvent être brièvement mis en parallèle avec des sources d’alimentation CA non synchronisées, permettant à une charge d’être commutée d’une source d’alimentation à une autre de manière « make-before-break » sans interruption de l’alimentation du côté secondaire!
Inconvénients connus des transformateurs Ferrorésonants
Malheureusement, ces dispositifs présentent des inconvénients tout aussi remarquables: ils gaspillent beaucoup d’énergie (en raison de pertes d’hystérésis dans le cœur saturé), générant une chaleur importante dans le processus, et ne tolèrent pas les variations de fréquence, ce qui signifie qu’ils ne fonctionnent pas très bien lorsqu’ils sont alimentés par de petits générateurs à moteur ayant une mauvaise régulation de vitesse.Les tensions
produites dans le circuit d’enroulement résonant/ condensateur ont tendance à être très élevées, nécessitant des condensateurs coûteux et présentant au technicien de service des tensions de travail très dangereuses. Certaines applications, cependant, peuvent donner la priorité aux avantages du transformateur ferrorésonant par rapport à ses inconvénients.
Des circuits semi-conducteurs existent pour « conditionner » le courant alternatif comme alternative aux dispositifs ferrorésonants, mais aucun ne peut rivaliser avec ce transformateur en termes de simplicité.
AVIS:
- La régulation de tension est la mesure de la capacité d’un transformateur de puissance à maintenir une tension secondaire constante compte tenu d’une tension primaire constante et d’une grande variance du courant de charge. Plus le pourcentage est faible (proche de zéro), plus la tension secondaire est stable et meilleure sera la régulation.
- Un transformateur ferrorésonant est un transformateur spécial conçu pour réguler la tension à un niveau stable malgré une grande variation de la tension d’entrée.
FEUILLES DE CALCUL CONNEXES :