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Principe de fonctionnement, calcul et fabrication d’un transformateur

Publié: le 07/07/2019 à 18:24 Dernière mise à jour: le 07/07/2019 à 18:24 Par: matlegore Nombre de vues: 8436
Principe de fonctionnement, calcul et fabrication d’un transformateurAvertissementsCet article technique est rédigé par l'auteur Mathieu THOMACHOT et placé sur le site www.soudeurs.com avec son autorisation
Ce document peut contenir des informations imprécises, voire erronées.
N’hésitez pas à nous faire part de vos remarques, en vue d’améliorer son contenu.
Cet article est rédigé dans un but pédagogique. Si vous souhaitez appliquer son contenu en pratique, il vous appartient de vous assurer que vous disposez des connaissances et du savoir-faire suffisants pour travailler en toute sécurité.
L’auteur ne pourra être tenu responsable en cas d’incident.
A qui s’adresse ce documentCe document s’adresse :
- Aux curieux qui souhaitent démystifier le fonctionnement des transformateurs en général et de ceux des postes à souder en particulier.
- Aux dépanneurs ou restaurateurs qui ont besoin de remplacer le transformateur d’un poste vintage dont les pièces sont introuvables ou dont le fabricant n’existe plus.
- Aux makers, qui veulent se bricoler des appareils « maison », comme on voit dans certaines vidéos (soudage par point avec un transformateur de four micro-ondes, poste à souder, circuit d’amorçage HF, etc..).
PréambuleLe transformateur électrique est un composant incontournable de nos postes à souder électriques, quels que soit leurs types et leurs spécialisations : traditionnelle, inverter, MIG/MAG, TIG, MMA, plasma.
C’est grâce à lui que nous pouvons convertir l’énergie du réseau électrique en une source capable de délivrer un courant élevé, avec une tension relativement faible. C’est également lui qui isole le réseau électrique du circuit de soudage, condition indispensable pour travailler en sécurité.
Lorsque j’ai dépanné mon poste à souder (voir discussion), j’ai trouvé assez facilement la plupart des composants dont j’avais besoin : interrupteur de façade, transistors, diodes, résistance de puissance. Le seul composant qui m’a réellement posé problème était le transformateur : je devais le remplacer, mais impossible de trouver une pièce de rechange. Quand bien-même j’aurais pu trouver un équivalent, j’étais incapable de savoir si le modèle convenait ou pas, car je ne savais pas quelles caractéristiques regarder. De plus, il est très difficile de trouver un transformateur de puissance « standard », car ce sont souvent des composants sur-mesure. Les produits que l’on trouve sur le marché sont souvent surdimensionnés et très chers.
J’ai donc fini par me résoudre à fabriquer moi-même le transformateur, ainsi que la self et le transformateur du circuit d’amorçage du TIG.
La fabrication d’un transformateur est relativement simple : il vous faut du fil conducteur, un circuit magnétique, de l’isolant, et de quoi maintenir tout ça ensemble. L’assemblage d’un tel composant est à la portée d’un enfant. La difficulté se situe plutôt dans sa conception, qui nécessite de se familiariser avec des concepts d’électromagnétismes qui peuvent être difficiles à appréhender, surtout si on ne sait pas par où commencer.
Le vrai problème est le suivant : « Je connais le courant que doit délivrer mon poste à souder, disons 200 A. Quel circuit magnétique dois-je choisir ? Quels fils dois-je utiliser ? Combien d’enroulements dois-je mettre au primaire et combien au secondaire ? Comment savoir si mon montage va fonctionner quand je vais allumer mon poste, ou si tout va exploser ? Existe-t-il d’autres précautions à prendre ?».
C’est ce genre de questions que je me suis posées. Pour y répondre, j’ai dû reprendre ce que j’avais vu à l’école et oublié, pour me rapproprier ces connaissances de manière plus profonde et avec un regard pratique.
A travers cet article, je vais tenter de synthétiser ces acquis.
Présentation du transformateurUn transformateur convertit une énergie électrique, en modifiant sa tension et son courant.
Le schéma suivant décrit un transformateur et les différents éléments qui s’y rattachent :


(Par Original téléversé par BillC sur Wikipedia français — File:Transformer3d col3.svg
Transféré de fr.wikipedia à Commons., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20719968)

Le transformateur est constitué de deux fils enroulés autour d’un noyau magnétique commun.
Le premier fil, dit « enroulement primaire » ou « primaire », est constitué de N1 spires.
C’est à ses bornes que l’on applique une tension primaire U1 que l’on souhaite transformer.
Le second fil, dit « enroulement secondaire » ou « secondaire », est constitué de N2 spires.
C’est à ses bornes que l’on récupère la tension transformée.
L’effet inductifLorsqu’une tension e est appliquée aux bornes du bobinage de l’enroulement primaire, composé de N1 spires, un courant I1 s’établit et crée un flux magnétique à l’intérieur de la spire.
La relation entre le flux et le courant est donnée par le théorème d’Ampère, par l’intermédiaire du champ magnétique induit B, qui n’est autre que la quantité de flux par unité de surface.
La valeur du flux en fonction de la tension est donnée par la loi de Lenz-Faraday :



http://taouile.chez.com/gene.html

Cette formule peut être interprétée dans les deux sens :
· Si l’on force la tension aux bornes de la spire, il en résulte une variation du flux magnétique à l’intérieur de la spire.
· Si l’on force le flux magnétique à varier à l’intérieur de la spire, il en résulte une tension aux bornes de la spire.

C’est ce principe qui est exploité dans le transformateur pour transférer une tension entre le primaire et le secondaire.
Le rôle du noyau magnétiqueLe noyau magnétique sert à concentrer et à canaliser le flux magnétique.
Grâce à l’analogie d’Hopkinson, on peut comparer le fonctionnement d’un noyau magnétique à celui d’une résistance électrique.

On définit pour cela 3 paramètres :
· La force magnétomotrice (unité : Ampère) qui est le courant par spire, multiplié par le nombre de spires : F = N1I1.
C’est l’équivalent de la tension électrique.
· Le flux magnétique [unite : Weber) traversant les spires. C’est l’équivalent du courant électrique.
· La reluctance (unité : Henry[SUP]-1[/SUP]). C’est l’équivalent de la résistance électrique.

Par analogie avec la loi d’Ohm, la loi d’Hopkinson s’écrit :



Ainsi, une force électromotrice apparaît ou est à l’origine d’un flux magnétique dans un noyau de reluctance .
Pour une force électromotrice donnée, plus la reluctance est faible, plus le flux magnétique sera important.
La reluctance d’un circuit magnétique de longueur l et de section s s’écrit :



Où µ est la perméabilité magnétique du circuit.
Lorsque l’on utilise une bobine sans noyau, c’est-à-dire dans l’air, la perméabilité du circuit est proche de celle du vide, soit


Les matériaux ferromagnétiques utilisés dans les circuits magnétiques des transformateurs ont une perméabilité très supérieure à celle du vide. Par exemple,les matériaux proposés par la société Kaschke ont, selon les références, une perméabilité 300 à 15000 fois supérieure à celle du vide.
Il en résulte que la reluctance d’un circuit ferromagnétique sera 300 à 15000 fois plus faible que celle de l’air.
Pour une force électromotrice donnée, le flux magnétique sera donc 300 à 15000 fois plus élevé.



Par http://fr.wikipedia.org/wiki/User:MarLed
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Permeabilite_magnetique.gif, GFDL,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12792211

Cela a deux conséquences pratiques importantes :
· La reluctance du noyau étant plus faible que celle de l’air, les lignes de champs circuleront préférentiellement dans le noyau. Le noyau ferromagnétique étant un chemin plus « facile » à emprunter que l’air. La quasi-totalité du flux circulera donc à l’intérieur des spires du bobinage secondaire.
Le noyau est donc un « guide » magnétique.
· Nous avons vu que le courant est à l’origine du flux à l’intérieur des spires dans les bobines.
En comparant la loi de Lenz-Faraday

et la définition de l’inductance

on en déduit la relation qui lie le courant I et le flux au primaire :

La valeur L peut s’exprimer en fonction de la reluctance du noyau magnétique, par la relation suivante :

Un noyau ferromagnétique ayant une reluctance très faible, l’inductance de la bobine sera très élevée.
Par conséquent, pour un flux magnétique donné, le courant dans les spires sera beaucoup plus faible.
En pratique, cela limite le courant magnétisant consommé par un transformateur à vide. Le noyau est donc un limiteur de courant magnétisant.
La transformation de la tensionIntéressons-nous maintenant au secondaire du transformateur. Nous avons vu que la tension U1 au primaire était à l’origine d’un courant I1 , responsable lui-même d’un flux magnétique , selon la relation :

Grâce à la très faible reluctance du noyau magnétique, nous pouvons considérer que l’intégralité du flux circule dans le noyau, de sorte que le flux est le même dans les spires de l’enroulement secondaire.
On peut donc écrire la relation suivante, au secondaire :

On en déduit la relation de transformation de tension :


Le rapport est appelé « rapport de transformation ».
Le transformateur peut donc servir à amplifier ou réduire la valeur d’une tension, selon le nombre de spires au primaire et au secondaire.
La transformation du courantPar principe de conservation de la puissance, on peut écrire :


D’où :



On voit que lorsque la tension est amplifiée, le courant est réduit, et vice et versa.
Prenons l’exemple du poste à souder traditionnel suivant, qui a une tension à vide au secondaire de 48 V, pour une tension au primaire de 230 V.
On en déduit donc le rapport du transformateur, qui est d’environ 0,21.
Le courant de sortie maximal est de 100 A, pour un courant d’entrée de 22,5 A au secteur.
On a bien une augmentation du courant, avec un rapport de 4,44, soit 1 / 0.22 , ce qui est à peu près l’inverse du rapport de transformation des tensions.


L’isolation galvaniqueNous avons vu que pour transférer l’énergie électrique de l’enroulement primaire à l’enroulement secondaire, le transformateur utilise le principe de l’induction électromagnétique : les variations de flux magnétique dans le noyau (et donc de courant dans l’enroulement) créent une force électromotrice (tension). Une des conséquences de ce principe est qu’un transformateur réel ne peut transférer que des tensions variables.
En effet, reprenons la loi de Lenz-Faraday au primaire :


Une tension continue implique une augmentation constante du flux magnétique :


Cette situation n’est pas possible en pratique, car elle implique que le courant dans la bobine augmente indéfiniment.Par conséquent, les transformateurs ne peuvent pas transmettre la composante continue des signaux électriques.
Cette propriété est très avantageuse, car elle permet d’isoler des circuits entre eux. C’est le principe du transformateur d’isolement :



https://phys.libretexts.org/TextMaps/Introductory_Physics_TextMaps/Map%3A_College_Physics_
(OpenStax)/23%3A_Electromagnetic_Induction%2C_AC_Circuits%2C_and_Electrical_Technologies/23.9_Electrical_Safety%3A_Systems_and_Devices


Au secondaire d’un transformateur d’isolement, la tension est dite « flottante ». La personne, qui est en contact avec la terre, peut toucher l’une des deux sorties sans risque d’électrocution (mais pas les deux en même temps !). Dès lors que la personne est en contact avec l’une des bornes, le circuit secondaire est référencé. Il ne faut alors surtout pas tenter de toucher l’autre borne, sous peine d’électrocution.
L’isolation galvanique des transformateurs est utilisée avec avantage dans de nombreux montages électroniques et électrotechniques. Dans le domaine du soudage, cette propriété permet de réaliser une mise à la terre de la pièce à souder, comme sur le schéma suivant :


http://www.esabindia.com/safe_procedure.htm

Dans un poste à souder, les bornes de l’enroulement primaire sont en contact avec le secteur. Sans isolation du transformateur, la pièce à souder se retrouverait donc au potentiel du secteur, ce qui rendrait le procédé particulièrement dangereux.
Remarque importante : l’isolation du transformateur apporte une sécurité au procédé de soudage, mais ne supprime pas pour autant tous les autres risques électriques. Veuillez respecter toutes les recommandations afin d’éviter tout risque d’électrocution.
Dimensionner son transformateurMaîtriser le courant magnétisantComme nous l’avons vu, le primaire d’un transformateur est constitué d’une bobine de fil enroulée autour d’un noyau magnétique.
Lorsqu’il n’y a pas de charge connectée au secondaire du transformateur, ce montage se comporte comme une inductance,ou self.



https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Eadthem

On peut démontrer que la valeur de l’inductance est d’autant plus grande que la perméabilité magnétique du noyau est importante.
Nous avons vu la relation entre la valeur de l’inductance d’une bobine, le nombre de spires et la reluctance du noyau magnétique :



En pratique, les documentations techniques donnent en général la perméance magnétique, qui est l’inverse de la reluctance.



Voici un exemple de calcul, pour un composant magnétique de chez Kaschke :



Il s’agit d’un circuit torique, le R102/65,8/15.
Le circuit est disponible en différentes matières.
Nous nous intéressons ici à la matière dite « K2006 ».La documentation fournit la valeur de la perméance = 2750 nH.
Voici la photo d’un montage de test, utilisant ce composant :



Le transformateur a 44 enroulements au primaire.
On peut donc calculer son inductance :


En appliquant une tension électrique variable au primaire du transformateur, un courant électrique magnétisant sera consommé par sa bobine. Plus l’inductance sera élevée, plus le courant sera faible.
Dans notre exemple, la tension électrique au primaire est un signal carré 0 – 320 V à une fréquence de 36 kHz :



Le courant i dans la bobine suit la relation :

U étant constant, on en déduit

Le courant maximal est atteint au bout d’une demi période 1/2 f f étant la fréquence.
On en déduit le courant maximal


Dans notre cas
Dans le calcul du transformateur, il faudra donc s’assurer que les composants du circuit électronique sont capables de délivrer un tel courant.Que se passe-t-il si l’on veut utiliser ce montage pour réaliser un poste à souder traditionnel alimenté en 50 Hz
Cette fois-ci, le signal d’excitation est une sinusoïde de fréquence 50 Hz et de valeur efficace 320 V.
La valeur efficace du courant se donne par la formule :



Dans notre exemple
Nous voyons bien que ce cas est irréaliste.
Pour pouvoir travailler à cette fréquence, il faut augmenter l’inductance magnétisante, en jouant sur le nombre d’enroulements et sur la perméance Al du composant magnétique. Cette dernière valeur dépend directement de la section et de la longueur du noyau magnétique.
Il faudra donc un transformateur plus gros, avec plus d’enroulements.
Cela explique la taille volumineuse des transformateurs dans les postes traditionnels.
Maîtriser le flux magnétisantLa circulation d’un courant magnétisant dans le primaire du transformateur est à l’origine d’un flux magnétique à l’intérieur des spires.
La loi de Lenz-Faraday décrit la relation entre la tension aux bornes d’une spire et le flux magnétique :


La tension aux bornes d’une bobine est la somme des tensions des N spires :


D’où


Le champ magnétique B représente une densité de flux magnétique sur une surface A.
Pour un champ magnétique uniforme, on a la relation suivante :


On en déduit :



Pour les postes de type inverter, le signal au primaire du transformateur est carré.
On a donc une tension U constante lorsque les transistors sont passants.

On peut donc en déduire que le champ magnétique augmente de manière linéaire :



Si Ton est le temps pendant lequel les transistors sont passants, on peut déduire le champ maximal Bmax :



Cette valeur devra toujours rester inférieure à la valeur B sat du composant, qui correspond au champ maximal admissible avant la saturation du composant magnétique.
Voici un exemple de calcul avec le transformateur étudié précédemment :

U = 320 V
N = 44
On trouve la section du noyau dans la documentation :


Dans l’exemple, nous utilisons 2 noyaux couplés, la surface est donc double :


On compare cette valeur à la valeur de saturation du matériau, donnée dans la documentation :

On a bien

Dans le cas d’une tension sinusoïdale au primaire, le calcul est légèrement différent et conduit à la formule de Boucherot :

Attention, dans les documentations, la valeur Bsat est généralement donnée à température ambiante.
Elle diminue lorsque la température augmente, ce qui est le cas lorsque le poste à souder est utilisé de manière continue.
Il faut donc en tenir compte dans le calcul. La courbe ci-dessous donne l’évolution de Bsat en fonction de la température :



En supposant que notre composant atteigne 100 °C, la valeur de Bsat n’est plus que de 0,37 Tesla environ.
Comme Bmax n’est que de 0,19 Tesla, nous sommes encore dans des conditions acceptables.
Si nous avions mis moins d’enroulement au primaire du transformateur, nous aurions pu nous retrouver dans une situation avec un Bmax inférieur à Bsat à froid, mais supérieur à chaud, conduisant à une casse du circuit.
La saturation magnétiqueQue se passe-t-il lorsque le circuit magnétique sature, et en quoi est-ce un problème ?
Lorsque l’on applique une tension aux bornes d’une bobine, cette tension induit un courant qui génère un champ magnétique à l’intérieur des spires, là où se situe le noyau. Lorsque le noyau est soumis au champ magnétique, les éléments microscopiques qui le composent vont s’orienter comme des petites boussoles etcréer un champ magnétique induit.

Tant que les éléments ne sont pas tous alignés, le matériau peut continuer d’absorber le champ magnétique.

Lorsque tous les éléments sont alignés, le matériau sature et perd son effet inductif. La valeur de l’inductance baisse. Pour une bobine reliée à une source de tension, cela conduit à une augmentation de courant qui peut casser les composants en amont si le circuit n’est pas protégé.

https://www.astuces-pratiques.fr/electronique/la-saturation-magnetique-definition

On peut décrire cette situation à l’aide des graphiques de l’aimantation M et du champ magnétique B induit dans le noyau, en fonction de l’excitation magnétique H :

CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=628631

L’excitation magnétique est proportionnelle à l’intensité du courant parcourant les spires de l’enroulement.
Pour une excitation magnétique H faible, le champ magnétique induit B augmente selon la relation

est la perméabilité magnétique initiale du matériau.

Lorsque l’excitation magnétique augmente, le matériau arrive à progressivement à saturation, jusqu’à atteindre l’aimantation maximale Msat
Le matériau est saturé et ne peut plus s’aimanter.
Seul le vide peut continuer d’absorber l’excitation magnétique : le champ induit augmente alors avec une pente µ0 qui correspond à la perméabilité magnétique du vide.
Les entrefersUn entrefer est un petit espace d’air ou de matériau faiblement magnétique, inséré dans le circuit magnétique du transformateur. Comme une résistance limite le courant dans un circuit électrique, l’entrefer limite le flux en augmentant la reluctance du circuit complet.

http://electronique-et-informatique.fr/Impedance_Puissance_Electrique1.html

L’introduction d’un entrefer permet de linéariser le comportement du circuit magnétique, en retardant sa saturation.

S. Zurek, EncyclopediaMagnetica, CC-BY-3.0.

Le graphique ci-dessus montre les courbes de magnétisation d’un circuit sans entrefer (en bleu) et avec entrefer (en rouge).
On voit que l’entrefer permet d’atteindre un courant plus important dans les spires avant la saturation du circuit.
En pratique, l’entrefer permet donc d’augmenter le courant de saturation du transformateur.
Il permet également de travailler avec un courant continu au primaire sans risquer de saturer le circuit magnétique.
Parfois, l’entrefer permet simplement d’adapter un circuit magnétique existant à une application précise, par exemple pour éviter d’acheter des noyaux de ferrite spécifiques, alors que l’on en a déjà d’autres en stock.
Dans les postes à souder, on peut retrouver des entrefers dans les transformateurs, pour les raisons évoquées précédemment.



La photo ci-dessus montre le transformateur d’un circuit d’amorçage HF, avec un entrefer.
On entend souvent parler d’entrefer dans le cas des postes à souder de type « shunt », fonctionnant avec un transformateur traditionnel.

http://info.ee.surrey.ac.uk/Workshop/advice/coils/leak/weld/index.html

Sur la figure de gauche, les bobinages primaire et secondaire (en rose) sont enroulés autour d’un noyau magnétique (en bleu). La partie centrale est vide (blanc). La totalité du flux magnétique (lignes vertes) passe entre les enroulements primaire et secondaire.
Sur la figure de droite, on introduit un « court-circuit magnétique » (shunt pour court-circuit, en Anglais) qui vient prélever une partie du flux magnétique, l’empêchant de passer dans les spires de l’enroulement secondaire et limitant ainsi le courant dans le circuit de soudage. Sur le schéma, le shunt est déplacé le long de l’axe traversant votre écran ou votre feuille. En ajustant la surface commune entre le shunt et le noyau, on choisit ainsi la proportion du flux qui est transmise au secondaire, et donc le courant de soudage.
Flux magnétique et puissance transmiseNous avons vu le rôle du flux magnétisant qui assure le comportement inductif du primaire du transformateur.Nous avons vu comment dimensionner le transformateur pour que le flux ne dépasse jamais la valeur maximale admissible par le noyau magnétique. Or, le calcul est fait pour un transformateur à vide, sans puissance consommée.Lorsqu’une charge est connectée au secondaire du transformateur, un courant est consommé. Ce courant, présent au secondaire et, par transformation, au primaire, devrait également générer un champ magnétique. Ce champ magnétique ne risque-t-il pas de s’additionner au champ magnétisant et de dépasser le champ admissible par le noyau magnétique ?
La réponse est non, nous allons voir pourquoi.
Reprenons le schéma du transformateur vu précédemment :


Imaginons qu’une charge est connectée au secondaire. Elle consomme un courant I[SUB]2[/SUB], aux bornes d’une tension U[SUB]2[/SUB].L’enroulement du secondaire autour du noyau est équivalent à une inductance L[SUB]2[/SUB], de valeur :
L[SUB]2[/SUB] = N[SUB]2[/SUB][SUP]2[/SUP] A[SUB]l[/SUB]
Le flux magnétique généré par le couple courant / tension dans l’inductance L[SUB]2[/SUB]est donné par la formule :
Phi[SUB]2[/SUB] = L[SUB]2[/SUB] I[SUB]2[/SUB] / N2
L’enroulement du primaire autour du noyau est aussi équivalent à une inductance L[SUB]1[/SUB], de valeur :
L[SUB]1[/SUB] = N[SUB]1[/SUB][SUP]2[/SUP] A[SUB]l[/SUB]
On peut écrire l’expression de L[SUB]1[/SUB] sous cette forme :
L[SUB]1[/SUB] = (N[SUB]1[/SUB]/N[SUB]2[/SUB])[SUP]2[/SUP] * N[SUB]2[/SUB][SUP]2[/SUP] A[SUB]l[/SUB]
Soit : L[SUB]1[/SUB] = (N[SUB]1[/SUB]/N[SUB]2[/SUB])[SUP]2[/SUP] x L[SUB]2[/SUB]

Au primaire, il existe également une tension U[SUB]1[/SUB] et un courant I[SUB]1[/SUB], responsables d’un flux Phi1 :
Phi[SUB]1[/SUB] = L[SUB]1[/SUB] I[SUB]1[/SUB] / N1

Dans un transformateur, la relation entre les courants au primaire et au secondaire s’écrit :
I[SUB]2[/SUB] = - I[SUB]1[/SUB] x N[SUB]1[/SUB]/N[SUB]2[/SUB]

Le secondaire se comporte comme un générateur et non une charge, le courant I2 est donc sortant, d’où le signe (-).En repartant de l’expression de Phi2 et de L2, nous obtenons :
Phi[SUB]2[/SUB] = L[SUB]2[/SUB] I[SUB]2[/SUB] / N2 = L[SUB]1[/SUB] x (N[SUB]2[/SUB]/N[SUB]1[/SUB])[SUP]2[/SUP] x I[SUB]1[/SUB] x N[SUB]1[/SUB]/N[SUB]2[/SUB] / N[SUB]2[/SUB]
Soit : Phi2 = L1 I1 / N1
Et donc Phi2 = - Phi1.

Nous voyons donc que la somme des flux Phi1 et Phi2 est nulle.En conclusion, le transfert d’énergie électrique dans le transformateur ne génère pas de flux dans le circuit magnétique. Seule l’inductance magnétisante génère un flux, indépendant de la puissance transmise.Fort de ce constat, il serait donc possible de transmettre n’importe quelle puissance avec un transformateur donné, pourvu que l’on ne dépasse pas le flux de saturation du circuit magnétique.En pratique, nous voyons bien que les transformateurs délivrant une puissance élevée sont bien plus gros que ceux délivrant une faible puissance. Il y a donc d’autres paramètres qui rentrent en considération. Ce sont les pertes thermiques.
Maîtriser les pertes thermiquesLe transformateur en fonctionnement génère des pertes thermiques de différentes origines : les pertes « fer » générées dans le circuit magnétique (courant de Foucault, hystérésis) et les pertes « cuivre » (effet Joule dans les bobinages).
Les pertes par courants de FoucaultLe champ magnétique induit est à l’origine de boucles de courants dans le noyau magnétique, si ce dernier est conducteur. Ces courants induits créent un échauffement du noyau par effet Joule.
L’échauffement est proportionnel à l’aire des boucles de courant et au carré de la fréquence.
Afin de minimiser les pertes, on peut réduire l’aire des boucles avec un noyau constitué de paquets de tôle.


La photo suivante montre un transformateur avec un noyau en paquets de tôle :

Les pertes par hystérésisNous avons vu que les noyaux magnétiques sont constitués de petits éléments qui s’orientent individuellement sous l’effet du champ magnétique.

Selon les matériaux, ces éléments s’orienteront avec plus ou moins de facilité.
Pour les matériaux « difficiles », les éléments cherchant à s’orienter rencontrent des forces de frottement importantes qui génèrent des pertes thermiques, ainsi qu’un phénomène de mémoire magnétique comme sur le graphique suivant :


https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Zureks

Le graphique représente le champ électrique rémanent (celui qui résulte de l’orientation des éléments dans le matériau) en ordonnée, en fonction du champ coercitif (l’excitation magnétique à l’origine de l’orientation) en abscisse.
Les éléments soumis à un champ magnétique s’orientent avec une certaine inertie.
Par conséquent, ils suivent le champ magnétique variable avec un certain décalage.
Pour un champ magnétique d’excitation donné, la valeur du champ résultant ne sera pas la même, selon que le champ excitant croit ou décroit.
Il en résulte une courbe dite d’hystérésis.
Plus la surface de la courbe sera réduite, moins les pertes par frottement seront importantes.
Pour minimiser les pertes, on choisit donc des matériaux doux, qui s’orientent facilement sous l’effet du champ et qui ont par conséquent une faible mémoire magnétique.
Les pertes cuivreLes fils des bobinages ayant une résistance non nulle, ils sont le siège de pertes par effet Joule dont la puissance s’écrit : P = R I[SUP]2[/SUP].
Pour minimiser les pertes, on utilisera des fils en cuivre dont la résistance est faible.
Dimensionner un transformateur en fonction des pertes thermiquesMalheureusement, il n’existe pas de formule simple qui permette de calculer les dimensions d’un transformateur en tenant compte des pertes thermiques.
S’il existe des modèles complexes permettant de modéliser un transformateur, une grande partie du savoir-faire repose sur des formules empiriques et l’expérience des concepteurs.
Lors d’une conception, il conviendra de tester un prototype du transformateur en conditions réelles d’échauffement (plus de 30 minutes), de relever les paramètres (température, courant) et d’ajuster les paramètres si besoin.
Maîtriser l’isolation électriqueComme nous l’avons vu, le transformateur isole les tensions continues entre ses enroulements primaire et secondaire. En pratique, la proximité entre ces enroulements n’est pas sans risque. Les échauffements et les contraintes exercées sur les isolants peuvent amener à leur rupture. Un arc électrique peut alors se créer entre les deux enroulements, ce qui peut avoir des conséquences désastreuses, la pièce à souder étant alors en contact direct avec le secteur.
La photo suivante montre un transformateur détérioré, suite à un défaut d’isolement.


https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2016/04/22/how-to-detect-insulation-failures-in-electrical-equipment-part-1

Les concepteurs de transformateur devront choisirdes fils avec un isolant adapté aux conditions de température et de tension prévues dans le transformateur, comme ce fil silicone résistant à 180 °C :


Ils pourront également utiliser du papier isolant Nomex pour isoler les bobinages :


Fabriquer son transformateurMaintenant que nous avons calculé notre transformateur, il ne nous reste plus qu’à le fabriquer.Nous allons suivre pas à pas, la réalisation d’un transformateur réalisé pour la réparation d’un poste à souder de type Inverter.
On commence par enrouler les fils du primaire autour de la carcasse en plastique :


Les fils du primaire sont en cuivre émaillé. Le circuit primaire est composé de 3 fils mis en parallèle.
Cela permet d’utiliser des fils de faible section qui sont plus facile à bobiner à la main.
De plus, le troisième fil sera bobiné par-dessus le secondaire, afin de réduire l’inductance de perte du transformateur.
Les deux premiers fils du primaire sont bobinés :


On place ensuite un papier isolant « Nomex » par-dessus les fils du primaire.
Cet isolant garantit une isolation électrique entre le primaire et le secondaire du transformateur.
C’est un élément essentiel pour la sécurité du poste à souder :


Le papier est maintenu sur lui-même par un scotch spécial haute tension.
Ensuite, on enroule le fil du secondaire :

[
Pour le secondaire, nous avons utilisé la référence suivante, disponible chez Conrad :
ÖLFLEX® HEAT 180 SIF LappKabel 0054104 1 x 6 mm².


Ensuite, on recouvre le secondaire à nouveau avec du papier isolant :






On recouvre ensuite avec le troisième enroulement du circuit primaire :


On recouvre ensuite avec le papier isolant, maintenu avec le scotch haute-tension :




Une fois les bobinages terminés, on met en place les demi-noyaux magnétiques :


Nous pouvons remarquer la présence d’un entrefer en papier isolant.
Cet entrefer linéarise la réponse du noyau magnétique, afin de limiter la saturation en cas de courant continu au primaire.
Le transformateur est maintenu par un papier adhésif :




ConclusionNous avons abordé les principes théoriques du transformateur électrique, les aspects pratiques de sa conception et sa fabrication, ainsi que des exemples liés au monde du soudage.A travers cet article, j’ai souhaité partager le savoir et l’expérience que j’ai acquis lors du dépannage de mon poste à souder.
J’espère que cet article vous aidera dans vos projets personnels et je vous remercie de l’avoir lu.
Si vous souhaitez apporter des corrections ou des apports, n’hésitez pas à me faire part de vos commentaires.
Cet article technique est rédigé par l'auteur Mathieu THOMACHOT et placé sur le site www.soudeurs.com avec son autorisation
Par: matlegore

Commentaires (3)

10/09/2017 14:37:16 - Dominique ADMIN
Bonjour à tous,

En qualité de responsable du site Portail Soudeurs.com - Site Technique francophone de référence du soudeur je tiens à remercier chaleureusement le membre et auteur matlegore pour la rédaction de cet article technique de grande qualité sur le principe de calcul et de fabrication d'un transformateur, ainsi que pour son autorisation à afficher l'article sur notre site technique Soudeurs.com et pour sa collaboration à la bonne marche de l'édition de cet article.
J'espère que cet article sera utile à tous les lecteurs.
N'hésitez pas à envoyer un message privé à l'auteur matlegore pour le remercier de sa sollicitude.

Bien cordialement,

11/09/2017 00:30:02 - matlegore
Merci Dominique.
C'est un réel plaisir de partager ces connaissances avec la communauté du soudage.

Cordialement,

11/01/2018 08:56:27 - Essai
Merci Matlegore pour ce partage de connaissance !