La perte d’hystérésis dans un transformateur est l’énergie transformée en chaleur dans le cœur lorsque le champ magnétique alternatif s’inverse et que les domaines magnétiques se déplacent autour de la boucle B–H à chaque cycle. Cela dépend du matériau, de la fréquence, du niveau de flux et de la température. Cet article explique en détail les causes, les matériaux de base, les équations, les effets du système, les tests, la modélisation et les moyens de réduire la perte par hystérésis.
Perte d’hystérésis dans un transformateur
La perte d’hystérésis dans un transformateur est l’énergie électrique qui se transforme en chaleur à l’intérieur du noyau magnétique à chaque changement de direction de la tension AC. Lorsque le courant passe entre positif et négatif, le champ magnétique dans le cœur oscille également d’avant en arrière. Les minuscules régions magnétiques à l’intérieur du noyau doivent bouger et se réaligner à chaque cycle, et ce mouvement n’est pas parfaitement fluide. À cause de cela, une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur à chaque fois que le champ s’inverse.
Cette perte est présente même lorsque le transformateur est déchargé, donc il consomme toujours de l’énergie et gaspille de l’énergie. La perte d’hystérésis réduit l’efficacité du transformateur, contribue à une consommation d’énergie sans charge et augmente la température du cœur. Le niveau de perte d’hystérésis influence la taille du noyau, le choix des matériaux du cœur et la quantité de refroidissement nécessaire pour maintenir le transformateur en bon état.
Domaines magnétiques et perte d’hystérésis
À l’intérieur du noyau magnétique d’un transformateur, le matériau est composé de nombreuses petites régions appelées domaines magnétiques. Les frontières entre les domaines sont appelées murs de domaine. Ces murs ne bougent pas librement, car ils sont retenus par des imperfections à l’intérieur du matériau. Chaque fois que le champ alternatif change de direction, une énergie supplémentaire est nécessaire pour déplacer ces murs de domaine. Cette énergie supplémentaire est transformée en chaleur dans le cœur et fait partie de la perte par hystérésis dans le transformateur.
Boucle B–H et perte d’hystérésis dans les cœurs de transformateurs
La boucle B–H est un graphique qui montre comment la densité de flux magnétique B dans un noyau de transformateur change lorsque la force du champ magnétique H passe par un cycle AC complet. À mesure que le courant alternatif monte, descend et s’inverse, le point sur ce graphique tourne autour d’une boucle fermée au lieu de suivre une ligne droite unique. La forme et la taille de cette boucle indiquent comment le noyau se comporte et combien d’énergie est perdue sous forme de chaleur à cause de l’hystérésis.
Parties de base de la boucle B–H
• Région de saturation : Lorsque H est très élevé, B augmente à peine, ce qui signifie que le noyau est saturé.
• Permanence (Br) : Lorsque H revient à zéro, B n’est pas nul, ce qui montre que le noyau conserve une certaine magnétisation.
• Champ coercitif (Hc) : C’est la valeur inverse de H nécessaire pour ramener B à zéro.
• Surface de boucle : La surface à l’intérieur de la boucle représente l’énergie perdue dans le cœur à chaque cycle ; une zone plus grande signifie une perte d’hystérésis plus élevée.
Équation de Steinmetz pour la perte par hystérésis
Ph = kh f B nmax V
| Symbole | Signification |
|---|---|
| (*Ph*) | Perte par hystérésis (W) |
| (*kh*) | Constante qui dépend du matériau du cœur |
| (*f*) | Fréquence AC (en hertz, Hz) |
| (*B nmax*) | Densité maximale de flux dans le noyau (en Tesla, T) |
| (*n*) | Exposant de Steinmetz (typiquement > 1) |
| (*V*) | Volume du cœur (m³) |
Matériaux du noyau du transformateur et perte d’hystérésis
Acier silicium orienté grain
• Possède une boucle étroite d’hystérésis dans une direction principale
• Donne une perte d’hystérésis plus faible dans cette direction à la fréquence des lignes électriques
Acier électrique non orienté
• Possède des propriétés magnétiques plus uniformes dans toutes les directions
• Présente une perte d’hystérésis légèrement plus élevée mais fonctionne bien lorsque le flux change de direction dans le noyau
Ferrites (MnZn, NiZn)
• Avoir des pertes très faibles d’hystérésis et de courants de Foucault à haute fréquence
• Aider à réduire la perte d’hystérésis dans les transformateurs haute fréquence
Alliages amorphes et nanocristallins
• Avoir des boucles d’hystérésis très étroites
• Offrir une perte d’hystérésis très faible pour un fonctionnement économe en énergie
Ces matériaux sont particulièrement importants dans les transformateurs haute fréquence, discutés à la Section 9.
Conditions de fonctionnement qui influencent la perte par hystérésis
Fréquence
À mesure que la fréquence augmente, le champ magnétique dans le cœur change de direction plus souvent par seconde. Chaque basculement provoque une perte d’énergie, donc plus de flips par seconde signifie une plus grande perte d’hystérésis.
Densité de flux maximale (Bmax)
Un Bmax plus élevé agrandit la zone de la boucle, ce qui augmente la perte d’hystérésis et peut rapprocher le cœur de la saturation.
Température
La température modifie la facilité avec laquelle les domaines magnétiques se déplacent à l’intérieur du noyau. Selon le matériau, la perte de carotage peut augmenter ou diminuer avec la température, il faut donc des données provenant du matériau pour comprendre comment la perte par hystérésis se comporte.
Perte par hystérésis vs. autres pertes de transformateur
| Type de perte | Où cela se passe | Cause principale | Cela dépend principalement de |
|---|---|---|---|
| Hystérésis | Core | Réalignements des domaines magnétiques à chaque cycle AC | Fréquence, flux de pic *B**max*, matériau du cœur |
| Courant de Foucault | Core | Courants induits dans le noyau métallique par changement de flux | Frequency²,*B**max*², épaisseur du carottage |
| Cuivre (I²R) | Enroulements | Courant circulant à travers la résistance dans le fil | Courant de charge, résistance des fils |
| Fuite/égarement | Espace noyau/air | Flux magnétique qui ne relie pas tous les enroulements | Forme, espacement et disposition du noyau |
Effets au niveau du système de la perte par hystérésis chez les transformateurs
La perte d’hystérésis dans un transformateur modifie également son comportement dans le système électrique. Cela entraîne une consommation de puissance plus élevée sans charge, donc le transformateur puise plus d’énergie de l’alimentation même lorsqu’il ne fournit aucune charge. Le courant magnétisant devient déformé et moins proche d’une onde sinusoïdale lisse, ce qui rend sa forme plus inégale. Ce courant inégal ajoute des composantes de fréquence supplémentaires appelées harmoniques, ce qui augmente le contenu harmonique et la distorsion harmonique totale (THD) dans le système. En même temps, une plus grande partie du courant devient réactive au lieu d’être utile, ce qui réduit le facteur de puissance et signifie qu’une moins grande partie du courant effectue un travail réel.
Perte d’hystérésis dans les noyaux de transformateurs haute fréquence
Dans de nombreux circuits modernes, les transformateurs sont de petites pièces montées sur un circuit imprimé et fonctionnent à de hautes fréquences, souvent dans les dizaines voire centaines de kilohertz. À ces fréquences plus élevées, la perte d’hystérésis dans le noyau devient plus importante, car le champ magnétique dans le noyau change de direction plusieurs fois par seconde. Des noyaux de ferrite sont utilisés dans ce cas, car ils aident à réduire la perte d’hystérésis et de courant de Foucault à haute fréquence.
La densité maximale de flux, souvent écrite Bmax, est soigneusement limitée afin que la perte du noyau reste dans des niveaux sûrs et que le noyau ne surchauffe pas. Les courbes de perte de carottage fournies pour le matériau sont utilisées pour estimer la quantité totale de perte de carotage, y compris la perte par hystérésis, qui se produira à un niveau de fréquence et de flux donnés. Comme ces transformateurs sont placés près d’autres composants de la carte électronique, la chaleur due à la perte d’hystérésis affecte la température locale et peut influencer la fiabilité des composants voisins.
Modélisation de la perte d’hystérésis dans la simulation de circuits
En simulation de circuit, la perte d’hystérésis dans un cœur transformateur est représentée par des modèles simples qui capturent tout de même les effets principaux. Une méthode de base consiste à utiliser une résistance en parallèle avec l’inductance magnétisante, de sorte que cette résistance représente la puissance perdue sous forme de chaleur dans le cœur à un point de fonctionnement choisi. Les modèles plus avancés utilisent des courbes B–H non linéaires, telles que les modèles de Jiles–Atherton ou de Preisach, qui suivent la forme réelle de la boucle d’hystérésis et rendent les résultats dans le domaine temporel plus précis.
Une autre méthode courante consiste à utiliser des blocs comportementaux basés sur Steinmetz, où la perte du noyau est calculée à partir de la forme d’onde de flux à l’aide d’équations de type Steinmetz, puis ajoutée dans le circuit sous forme d’élément dissipateur de puissance. Ces approches aident à montrer comment la perte d’hystérésis affecte le courant, la tension et le chauffage dans un transformateur simulé.
Mesure de la perte d’hystérésis dans les noyaux de transformateurs
Essais de matériaux (cadre Epstein ou simple feuille)
Une bande ou une feuille de matériau de carotte est placée dans un dispositif d’essai spécial et entraînée avec un champ AC connu. La boucle B–H est enregistrée et la perte de carotte par unité de volume est calculée.
Test du carottage toroïdal
Un enroulement est placé sur un noyau en forme d’anneau (toroïdal) et alimenté avec une tension et une fréquence choisies. La puissance d’entrée est mesurée, et la perte I²R de l’enroulement est soustraite pour trouver la perte totale du cœur, ce qui inclut la perte d’hystérésis.
Essais de transformateurs en circuit ouvert
L’enroulement primaire d’un transformateur est alimenté à sa tension nominale tandis que le secondaire reste ouvert. L’énergie tirée de la source est principalement une perte de cœur, qui correspond à la somme de la perte d’hystérésis et de la perte de courant de Foucault.
Balayage de fréquence et de tension
Le test est répété à différentes fréquences et niveaux de tension. Observer comment les pertes mesurées évoluent aide à comprendre quand la perte par hystérésis est plus nécessaire et quand la perte par courant de Foucault devient une part plus importante du total.
Conclusion
La perte d’hystérésis provient du mouvement répété des domaines magnétiques alors que le noyau tourne autour de sa boucle B–H, transformant une partie de la puissance d’entrée en chaleur même sans charge. Sa taille dépend du matériau du carottage, de la fréquence, de la densité de flux et de la température. Avec une modélisation, une mesure appropriée, des choix de matériaux et de conception, la perte par hystérésis peut être limitée et contrôlée.
Foire aux questions [FAQ]
Comment la perte d’hystérésis affecte-t-elle la durée de vie du transformateur ?
Cela maintient le noyau plus chaud pendant de longues périodes, ce qui accélère le vieillissement de l’isolation et peut raccourcir la durée de vie du transformateur.
Comment la perte d’hystérésis est-elle liée au courant d’appel ?
En raison de la boucle B–H et de la magnétisation résiduelle, le cœur peut atteindre presque la saturation à l’allumage, provoquant un courant d’appel très élevé pendant un court moment.
La forme du noyau modifie-t-elle la perte d’hystérésis ?
Oui. Les noyaux toroïdaux présentent une perte d’hystérésis plus faible que ceux des E–I car le chemin magnétique est plus lisse et plus uniforme.
Comment la perte d’hystérésis affecte-t-elle le coût énergétique des transformateurs toujours allumés ?
Il agit comme une consommation d’énergie sans charge, augmentant la consommation d’énergie annuelle et les besoins de refroidissement même lorsque la puissance de sortie est faible.
13,5 Le stress ou le vieillissement peuvent-ils augmenter la perte d’hystérésis ?
Oui. Les contraintes mécaniques, les vibrations et le chauffage et refroidissement répétés peuvent perturber la structure du noyau, élargir la boucle B–H et augmenter la perte d’hystérésis au fil du temps.
