Un transformateur est un dispositif utilisé pour transmettre l'énergie électrique entre deux parties d'un circuit, créant une isolation tout en modifiant le courant et la tension. Le transformateur fait partie intégrante de la plupart des systèmes électriques. Les transformateurs de puissance sont particulièrement utilisés lorsqu'une grande efficacité de transmission de l'énergie est attendue. Selon l'application spécifique, l'équipement peut fonctionner de manière continue ou discontinue à pleine capacité de charge.
Les petits transformateurs utilisés dans les appareils électriques commerciaux peuvent avoir deux formes de noyau différentes. Le noyau EI ou carré et le noyau toroïdal. Les transformateurs toroïdaux (anneau, noyau en forme de beignet) sont des composants électriques constitués de fils de cuivre enroulés autour d'un noyau cylindrique. Dans le passé, la forme de noyau EI était la plus répandue. Toutefois, les transformateurs toroïdaux sont en train de s'imposer dans les applications nécessitant une faible puissance en raison de leur forme unique et de leurs avantages.
Construction des transformateurs toroïdaux
Noyau : le noyau d'un transformateur ordinaire est constitué de feuilles d'acier au silicium laminées. Le noyau d'un transformateur toroïdal est constitué d'une bande d'acier au silicium enroulée. Son rôle est de former un flux magnétique alternatif sous l'action du courant alternatif de la bobine primaire. Le flux magnétique alternatif dans le noyau induit le potentiel électrique dans la bobine secondaire, formant ainsi une alimentation électrique à basse tension. Le noyau est le corps principal qui réalise la conversion de l'énergie électrique, de l'énergie magnétique et de l'énergie électrique.
Bobinage : généralement constitué de fils de cuivre plats isolés ou de fils de cuivre ronds enroulés sur la filière de bobinage. Il comprend deux groupes : le primaire et le secondaire (haute tension et basse tension). Le rôle de l'enroulement primaire est d'introduire le côté original du transformateur, en partie pour compléter le processus d'excitation, et en partie pour remplir l'enroulement secondaire d'énergie électrique. L'enroulement secondaire convertit l'énergie magnétique en énergie électrique et la transmet à l'extérieur. Les enroulements sont généralement connectés selon une certaine méthode de connexion des circuits.
Isolation du corps : elle comprend l'isolation primaire et secondaire, l'isolation entre les spires, l'isolation du noyau et l'isolation entre les coques. Les matériaux utilisés sont le carton, la résine époxy, divers matériaux isolants, l'huile pour transformateurs, etc. L'huile pour transformateur a non seulement un bon effet d'isolation, mais elle peut également contribuer à la dissipation de la chaleur du transformateur pour refroidir le noyau et la bobine.
Les enroulements des transformateurs toroïdaux sont enroulés uniformément sur le noyau, et la direction des lignes magnétiques générées par les enroulements coïncide presque exactement avec le circuit magnétique du noyau, ce qui réduit l'énergie d'excitation et la perte du noyau de 25 % par rapport au type laminé.
Principe de fonctionnement
Les transformateurs reposent sur l'induction électromagnétique. Le physicien Michael Faraday a découvert l'induction électromagnétique en 1831 en constatant que l'intensité d'un courant électrique est proportionnelle à la vitesse de déplacement de l'aimant et au nombre de tours de la bobine.
Le transformateur tire parti de cette relation proportionnelle. Le principe de fonctionnement du transformateur toroïdal est le même que celui du transformateur, les deux fonctionnant selon le principe de la conversion électrique-magnétique et magnétique-électrique. Voici le circuit présenté dans la figure ci-dessous pour illustrer le principe de fonctionnement d'un transformateur. Lorsque la tension alternative U1 est envoyée aux deux extrémités de l'enroulement primaire L1 du transformateur (le nombre de tours est N1), le courant alternatif I1 circule dans L1, L1 génère immédiatement un champ magnétique, les lignes d'induction magnétique du champ magnétique sont couplées à l'enroulement secondaire L2 (le nombre de tours est N2) le long d'un noyau bien conducteur, L2 génère immédiatement un potentiel électrique induit, à ce moment L2 est équivalent à une alimentation électrique. Comme L2 est connecté à la charge R en tant que circuit fermé, L2 produit un courant alternatif I2 qui traverse la charge R. La tension aux bornes de R est U2.
Les champs magnétiques produisent une tension de sortie lorsqu'ils traversent l'enroulement secondaire. La quantité de tension produite dépend du nombre de bobines dans le secondaire par rapport au primaire. Elle sera divisée par deux si le rapport est de 2:1, tandis qu'elle sera doublée si le rapport est de 1:2.
Avantages des transformateurs toriques
1. Rendement élevé
La forme unique de ces transformateurs se prête à l'utilisation de bobines plus courtes, ce qui permet de réduire les pertes et, par conséquent, d'améliorer le rendement du système. Les transformateurs toroïdaux étant plus efficaces que les autres transformateurs de puissance, ils génèrent moins de chaleur pendant leur fonctionnement, ce qui se traduit par des températures de fonctionnement plus basses. Cela réduit le besoin d'unités de refroidissement.
Le noyau n'a pas d'interstices, le facteur de laminage peut atteindre 95 % ou plus, la perméabilité du noyau peut être de 1,5~1,8T (le noyau laminé ne peut supporter que 1,2~1,4T), l'efficacité électrique peut atteindre 95 % ou plus, le courant à vide n'est que de 10 % par rapport au type laminé.
2. Température de fonctionnement plus basse
La perte de fer pouvant atteindre 1,1 W/kg, l'augmentation de la température du noyau est faible lorsque la perte de fer est très faible, et la dissipation de la chaleur de l'enroulement dans la température inférieure du noyau est bonne, de sorte que l'augmentation de la température du transformateur est faible.
3. Taille plus compacte, poids léger
Tous les enroulements d'un transformateur toroïdal sont répartis symétriquement sur l'ensemble du noyau, ce qui se traduit par des longueurs de fil très courtes. Le flux magnétique étant orienté dans le même sens que le sens de laminage du noyau à grains orientés, il est possible de réaliser d'importantes économies de volume et de poids et d'obtenir une densité de flux plus élevée.
En raison de leur taille et de leur poids réduits, les transformateurs toroïdaux sont idéaux pour les produits électriques compacts. En outre, STEPPERONLINE peut concevoir un transformateur spécialement adapté à l'espace du client.
4. Réduction des champs magnétiques parasites et des émissions EMI
Le noyau du transformateur toroïdal n'a pas d'entrefer, le bobinage est enroulé uniformément dans le noyau en forme d'anneau, ce qui entraîne une faible fuite magnétique et un faible rayonnement électromagnétique. Les enroulements primaires et secondaires qui recouvrent le noyau agissent comme des boucliers contre le champ magnétique généré, ce qui protège les équipements électroniques sensibles situés à proximité du transformateur pendant son fonctionnement. Les transformateurs toroïdaux peuvent être utilisés dans des équipements électroniques à haute sensibilité sans blindage supplémentaire, tels que les amplificateurs de faible niveau et les équipements médicaux.
Les transformateurs toroïdaux ont un impact totalement négligeable sur l'environnement et le corps humain, ce qui en fait une source d'énergie saine.
5. Bruit de vibration plus faible
La construction des transformateurs toroïdaux permet de supprimer les bruits audibles. Les noyaux sont étroitement enroulés, soudés par points, recuits et recouverts de résine époxy ou isolés avec du ruban mylar. L'enroulement régulier du noyau ne laisse pas d'espaces d'air, de sorte qu'il n'y a pas de feuilles détachées qui vibrent, ce qui réduit le bourdonnement causé par la magnétostriction.
6. Flexibilité dimensionnelle
Les transformateurs toroïdaux offrent une grande souplesse dimensionnelle par rapport aux transformateurs laminés classiques. Les rapports de longueur, de largeur et de hauteur des noyaux des transformateurs toroïdaux peuvent être facilement modifiés pour concevoir une forme qui réponde aux dimensions requises.
7. Montage plus facile
Les transformateurs toroïdaux sont faciles à installer. Dans la plupart des cas, il suffit d'une simple rondelle de centrage métallique et de vis ou de boulons de montage qui rendent l'installation rapide et facile.
Les autres méthodes de montage les plus courantes sont les suivantes
- Enrobage central en résine avec inserts en laiton ou trou de passage
- Plaques de montage sans pression
- Encapsulation complète dans des boîtiers en plastique ou en métal
- Montage sur circuit imprimé (trou de passage)
- Montage sur rail DIN
8. Économie d'énergie
Les noyaux toroïdaux ont des pertes en fer très faibles, typiquement 1,1 W/kg à 1,7 Tesla et 50 Hz. Ces faibles pertes de fer se traduisent par des courants de magnétisation très faibles, ce qui entraîne une faible consommation d'énergie en mode veille. Les pertes à vide plus faibles permettent d'économiser davantage d'énergie en mode veille.
Applications des transformateurs toroïdaux
Les transformateurs toroïdaux sont souvent utilisés dans les applications électroniques pour abaisser ou élever la tension. Le dispositif peut également être utilisé pour isoler l'équipement électronique des sources de tension parasites. Il existe une grande variété de transformateurs, ce qui permet de réaliser différentes applications. Voici une brève description des applications actuelles des différents transformateurs toroïdaux :
Industrie des moteurs pas à pas : principalement utilisés pour les moteurs pas à pas monophasés et multiphasés et les servomoteurs à courant alternatif.
Industrie desmachines : principalement orientée vers l'industrie, telle que les machines-outils de contrôle, les machines à commande numérique, etc.
Équipement audiovis uel : principalement utilisé pour les systèmes audio, les amplificateurs audio, etc.
Industrie médicale : utilisée dans les instruments d'essai médicaux pour jouer le rôle d'isolateur de sécurité.
Industrie de l'instrumentation : utilisé pour divers instruments et équipements de test.
Industrie des énergies renouvelables : utilisé dans les onduleurs solaires, généralement pour renforcer la tension.
Industriede l'humidification par atomisation : principalement utilisée pour réguler l'humidité de l'air, par exemple dans les serres agricoles et les plantations de légumes.
Contrôle électrique : par exemple, transformateurs de courant et de tension. Les transformateurs de haute précision et de haute stabilité peuvent être fabriqués à l'aide du procédé de transformation toroïdale.
Industrie automobile
Industrie de l'éclairage
Équipement de sécurité
Télécommunications
l'aérospatiale
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