Un transformateur peut sembler être un équipement électrique passif, mais il peut influencer votre facture d’électricité chaque jour.
Même lorsqu’un transformateur fonctionne normalement, une partie de l’énergie électrique n’est pas transmise à la charge. Elle est perdue à l’intérieur du transformateur, principalement sous forme de chaleur. Cette énergie gaspillée est appelée perte de transformateur.
Un transformateur présentant des pertes plus faibles peut aider à réduire le gaspillage d’électricité, à diminuer les coûts d’exploitation, à contrôler la génération de chaleur et à améliorer l’efficacité du système de distribution d’énergie.
Cet article explique les deux types de pertes de transformateur les plus importants : les pertes à vide et les pertes en charge.
Nous aborderons d’abord la théorie ; pour un guide pratique sur la manière d’économiser de l’argent, veuillez vous référer à ceci.
Au-delà des économies budgétaires, l’économie d’énergie profitera à la Terre et aux êtres humains sur le long terme. Ce coût peut être invisible mais il est crucial. C’est pourquoi nous devons continuer à développer de nouvelles technologies et à trouver des solutions plus efficaces — pour la nature.
–Risentric : là où la luminosité s’élève
- Quelles sont les pertes d’un transformateur ?
- Les deux principaux types de pertes de transformateur
- Qu’est-ce que la perte à vide ?
- Qu’est-ce que la perte en charge ?
- Pourquoi la perte en charge augmente-t-elle rapidement ?
- Pertes de transformateur et conception thermique
- Pertes à vide vs pertes en charge : résumé
- Conclusion
Quelles sont les pertes d’un transformateur ?
Les pertes de transformateur correspondent à la partie de la puissance d’entrée qui n’est pas transférée vers le côté sortie.
En termes simples :
Puissance d’entrée = puissance de sortie + pertes du transformateur
La puissance de sortie est la puissance utile fournie aux charges électriques. Les pertes sont principalement converties en chaleur à l’intérieur du transformateur.
C’est pourquoi les pertes de transformateur sont importantes dans les projets réels. Des pertes plus élevées signifient généralement :
- plus d’électricité gaspillée
- des coûts d’exploitation plus élevés
- une génération de chaleur accrue
- une élévation de température plus importante
- des exigences de refroidissement ou de ventilation plus strictes
- une contrainte accrue sur l’isolation
- une efficacité à long terme moindre
Un transformateur dont le prix d’achat est inférieur n’est pas toujours le moins cher sur l’ensemble de sa durée de vie. Si ses pertes sont plus élevées, il peut consommer plus d’énergie chaque année.
Les deux principaux types de pertes de transformateur
Les pertes de transformateur sont généralement divisées en deux types majeurs :
- Pertes à vide
- Pertes en charge
Cette distinction est importante car ces deux types de pertes se comportent différemment.
| Type de perte | Aussi appelé | Source principale | Dépend de la charge ? | Quand cela se produit |
|---|---|---|---|---|
| Perte à vide | Pertes dans le fer / pertes fer | Noyau magnétique | Généralement non | Dès que le transformateur est sous tension |
| Perte en charge | Pertes dans les enroulements / pertes cuivre | Courant traversant les enroulements | Oui | Lorsque le transformateur alimente une charge |
Une bonne sélection de transformateur doit tenir compte des deux.
Qu’est-ce que la perte à vide ?
La perte à vide est la perte qui existe lorsque le transformateur est sous tension, même si peu ou pas de charge n’est connectée.
Cette perte est principalement causée par le noyau du transformateur.
Lorsqu’une tension alternative est appliquée au transformateur, le noyau magnétique est magnétisé et démagnétisé de manière répétée. Ce champ magnétique changeant consomme de l’énergie. Même si le côté secondaire est ouvert et qu’aucune charge utile n’est connectée, le transformateur consomme toujours de la puissance.
C’est pourquoi la perte à vide est également appelée :
- perte dans le fer
- perte fer
- perte d’excitation
Le point clé est simple :
La perte à vide existe dès que le transformateur est sous tension.
Par exemple, si un transformateur reste sous tension 24 heures sur 24, la perte à vide se poursuit jour et nuit, même lorsque la charge du bâtiment ou de l’usine est faible.
Cela rend la perte à vide particulièrement importante pour :
- les usines avec de longues périodes de veille
- les bâtiments commerciaux avec une faible charge nocturne
- les transformateurs de distribution sous tension toute l’année
- les sous-stations où les transformateurs restent connectés en permanence
- les projets axés sur l’économie d’énergie et le coût d’exploitation sur la durée de vie
Quelles sont les causes de la perte à vide ?
La perte à vide provient principalement de deux effets physiques à l’intérieur du noyau du transformateur.
1. Perte par hystérésis
La perte par hystérésis se produit parce que le matériau magnétique à l’intérieur du noyau ne se magnétise et ne se démagnétise pas sans perte d’énergie.
À chaque cycle de courant alternatif, le champ magnétique change de direction. Les domaines magnétiques à l’intérieur du noyau doivent également changer de direction. Ce processus consomme de l’énergie et génère de la chaleur.
De meilleurs matériaux pour le noyau magnétique peuvent réduire les pertes par hystérésis.
2. Perte par courants de Foucault
La perte par courants de Foucault se produit lorsque des courants circulants sont induits à l’intérieur du noyau du transformateur.
Ces courants ne contribuent pas au transfert de puissance utile. Ils circulent à l’intérieur du matériau du noyau et génèrent de la chaleur.
Pour réduire les pertes par courants de Foucault, les noyaux de transformateurs sont généralement constitués de fines tôles d’acier laminées plutôt que d’un seul bloc de métal massif. Les laminations interrompent les chemins de courant et réduisent les courants circulants.
Qu’est-ce que la perte en charge ?
La perte en charge est la perte qui apparaît lorsque le transformateur fournit du courant à la charge.
Contrairement à la perte à vide, la perte en charge varie avec le courant de charge. Lorsque la charge est faible, la perte en charge est plus basse. Lorsque la charge augmente, la perte en charge augmente.
La partie principale de la perte en charge est la perte par résistance des enroulements.
Les enroulements du transformateur ont une résistance électrique. Lorsque le courant circule dans les enroulements, une partie de l’énergie électrique est convertie en chaleur.
C’est ce qu’on appelle souvent :
- perte dans les enroulements
- perte cuivre
- perte en charge
Même si l’enroulement est en aluminium, le terme « perte cuivre » est encore couramment utilisé dans de nombreuses discussions techniques pour décrire la perte par résistance des enroulements.
Pourquoi la perte en charge augmente-t-elle rapidement ?
La perte en charge est fortement liée au courant.
La relation de base est :
Perte dans l’enroulement = I²R
Où :
- I est le courant
- R est la résistance de l’enroulement
La relation au carré provient simplement de la formule I²R.
Si le courant double, la perte liée à la résistance devient environ 4 fois plus élevée.
Par exemple :
| Courant de charge | Niveau approximatif de perte dans l’enroulement (dû à I²R) |
|---|---|
| Charge de 25 % | 6,25 % de la perte dans l’enroulement à pleine charge |
| Charge de 50 % | 25 % de la perte dans l’enroulement à pleine charge |
| Charge de 75 % | 56,25 % de la perte dans l’enroulement à pleine charge |
| Charge de 100 % | 100 % de la perte dans l’enroulement à pleine charge |
C’est pourquoi l’état de charge du transformateur a un effet important sur les pertes de fonctionnement et la génération de chaleur.
Un transformateur qui est souvent fortement chargé peut produire beaucoup plus de chaleur due aux pertes en charge. Un transformateur sous tension mais faiblement chargé peut gaspiller plus d’énergie par les pertes à vide que ce que l’on imagine.
Pertes et efficacité du transformateur
L’efficacité du transformateur correspond à la quantité de puissance d’entrée fournie sous forme de puissance de sortie utile.
Efficacité = puissance de sortie / puissance d’entrée × 100 %
Puisque la puissance d’entrée comprend à la fois la puissance de sortie utile et les pertes :
Efficacité = puissance de sortie / (puissance de sortie + pertes) × 100 %
Des pertes plus faibles signifient une efficacité plus élevée.
L’efficacité d’un transformateur a généralement une « plage de fonctionnement optimale ».
À charge très légère, la perte à vide existe toujours, donc l’efficacité n’est pas idéale. À charge très élevée, la perte en charge augmente rapidement car elle suit la relation I²R. Par conséquent, l’efficacité maximale est généralement atteinte quelque part entre la charge légère et la pleine charge, selon la conception du transformateur et les valeurs réelles des pertes.
En termes simples, un transformateur a généralement un « point idéal » d’efficacité. Il est généralement plus efficace lorsqu’il est correctement chargé, et non lorsqu’il est presque inactif ou fortement surchargé.
Pertes de transformateur et conception thermique
La plupart des pertes de transformateur se transforment en chaleur.
Cette chaleur doit être évacuée par l’air, l’huile, des ventilateurs, des radiateurs ou d’autres méthodes de refroidissement.
Si les pertes sont trop élevées, la température du transformateur augmentera. Une température plus élevée peut accélérer le vieillissement de l’isolation et réduire la durée de vie du transformateur.
Ceci est particulièrement important pour :
- les transformateurs de type sec pour l’intérieur
- les postes de transformation compacts
- les locaux électriques mal ventilés
- les usines avec une charge continue élevée
- les environnements ambiants chauds
- les transformateurs installés à proximité d’autres équipements produisant de la chaleur
La perte de transformateur n’est donc pas seulement une question de coût énergétique. C’est aussi une question de conception thermique.
Pertes à vide vs pertes en charge : résumé
| Situation | La perte à vide est plus importante | La perte en charge est plus importante |
|---|---|---|
| Niveau de charge typique | Charge légère ou charge moyenne faible | Charge moyenne à élevée |
| Mode de fonctionnement | Longues heures de veille ou mise sous tension 24h/24, 7j/7 | Longues périodes de fonctionnement à charge élevée |
| Préoccupation principale | Gaspillage d’énergie continu provenant du noyau | Perte I²R dans les enroulements et élévation de température |
En termes simples, la perte à vide importe le plus lorsque le transformateur reste sous tension pendant de nombreuses heures, même avec peu de charge. La perte en charge importe le plus lorsque le transformateur supporte souvent un courant élevé.
Pour de nombreux projets industriels et commerciaux, les deux types de pertes doivent être vérifiés. Un transformateur peut gaspiller de l’énergie pendant la veille à cause de la perte à vide, mais il peut aussi générer une chaleur importante lors d’un fonctionnement intensif à cause de la perte en charge.
Vous recherchez des solutions de distribution d’énergie industrielle pour votre projet ?
Guide de l’acheteur : comment les pertes de transformateur affectent les coûts
Les pertes de transformateur constituent une consommation réelle d’électricité.
L’électricité coûte de l’argent. Si un transformateur gaspille plus d’énergie pendant son fonctionnement, cette perte s’ajoute à la facture d’électricité. Ainsi, pour économiser de l’argent à long terme, les acheteurs doivent comparer non seulement le prix du transformateur, mais aussi sa perte à vide, sa perte en charge et sa consommation d’énergie prévue.
Un exemple simple de coût de perte
Si un transformateur a une perte continue de 1 kW, la perte d’énergie annuelle est de :
1 kW × 24 heures × 365 jours = 8 760 kWh/an
Si le prix de l’électricité est de 0,12 USD/kWh, le coût annuel est de :
8 760 × 0,12 = 1 051,20 USD/an
Ceci n’est que pour 1 kW de perte continue. Pour des transformateurs plus grands, ou pour plusieurs transformateurs dans une même installation, le coût à long terme peut devenir significatif.
Un meilleur calcul : séparer la perte à vide et la perte en charge
Une estimation plus pratique devrait séparer la perte à vide et la perte en charge, car elles se comportent différemment.
Énergie de perte annuelle du transformateur = perte à vide × heures sous tension + perte en charge × facteur de charge² × heures de fonctionnement
Ensuite :
Coût annuel des pertes = énergie de perte annuelle × prix de l’électricité
Par exemple :
- perte à vide : 1,2 kW
- perte en charge à pleine charge : 8 kW
- temps sous tension : 8 760 heures/an
Cela signifie que le transformateur est sous tension 24 heures sur 24 pendant un an. - temps de fonctionnement sous charge : 6 000 heures/an
- facteur de charge moyen : 50 %
- prix de l’électricité : 0,12 USD/kWh
Énergie de perte à vide :
1,2 × 8 760 = 10 512 kWh/an
Énergie de perte en charge :
8 × 0,5² × 6 000 = 12 000 kWh/an
Énergie de perte annuelle totale :
10 512 + 12 000 = 22 512 kWh/an
Coût annuel des pertes :
22 512 × 0,12 = 2 701,44 USD/an
Ce calcul montre pourquoi la perte de transformateur est directement liée aux factures d’électricité. Même à une charge moyenne de 50 %, le transformateur consomme toujours une énergie importante car la perte à vide continue tant que le transformateur est sous tension.
Combien d’argent un transformateur à faibles pertes peut-il faire économiser ?
Si une meilleure conception de transformateur peut réduire les pertes, l’économie d’énergie se transforme en argent réel chaque année.
Par exemple, si un transformateur à faibles pertes permet d’économiser 4 kW de perte totale pendant le fonctionnement :
4 kW × 8 760 heures = 35 040 kWh/an
Si le prix de l’électricité est de 0,12 USD/kWh :
35 040 × 0,12 = 4 204,80 USD/an
Cela signifie que le transformateur à faibles pertes peut économiser environ 4 204,80 USD par an.
Si le meilleur transformateur coûte plusieurs milliers de dollars de plus, ce budget supplémentaire peut être un investissement judicieux car il peut être récupéré grâce aux économies d’électricité.
| Réduction des pertes | Heures de fonctionnement par an | Prix de l’électricité | Économie d’énergie annuelle | Économie de coût annuelle |
|---|---|---|---|---|
| 1 kW | 8 760 h | 0,12 USD/kWh | 8 760 kWh | 1 051,20 USD |
| 2 kW | 8 760 h | 0,12 USD/kWh | 17 520 kWh | 2 102,40 USD |
| 4 kW | 8 760 h | 0,12 USD/kWh | 35 040 kWh | 4 204,80 USD |
| 4 kW | 6 000 h | 0,12 USD/kWh | 24 000 kWh | 2 880,00 USD |
| 6 kW | 8 000 h | 0,15 USD/kWh | 48 000 kWh | 7 200,00 USD |
Ces exemples montrent un point important :
La perte de transformateur n’est pas seulement un chiffre d’efficacité. C’est aussi un coût d’exploitation.
Lorsqu’un transformateur fonctionne pendant de nombreuses heures chaque année, même une réduction de quelques kilowatts de perte peut permettre d’économiser des sommes significatives sur la durée de vie du transformateur.
Une estimation simple du retour sur investissement est :
Période de récupération = coût d’achat supplémentaire ÷ économie de coût annuelle
Par exemple, si un transformateur à faibles pertes coûte 8 000 USD de plus mais permet d’économiser 4 204,80 USD par an :
8 000 ÷ 4 204,80 ≈ 1,9 an
Dans ce cas, le budget supplémentaire peut être raisonnable car les économies d’énergie peuvent compenser le coût additionnel en moins de deux ans.
Toutefois, le résultat dépend des heures de fonctionnement réelles, du prix de l’électricité, du profil de charge et de la différence réelle entre les pertes des transformateurs.
Guide pratique : comment réduire le coût des pertes de transformateur
Pour réduire le coût des pertes de transformateur, les acheteurs ne doivent pas seulement demander si le transformateur est à « faibles pertes ». Ils doivent d’abord comprendre comment le transformateur fonctionnera réellement.
| État du projet | Principale préoccupation concernant les pertes | Ce qu’il faut vérifier | Décision pratique |
|---|---|---|---|
| Transformateur sous tension 24h/24, 7j/7, mais la charge moyenne est faible | Perte à vide | Valeur de la perte à vide en kW | Choisissez un transformateur avec une perte à vide plus faible. Évitez tout surdimensionnement inutile. |
| Le transformateur fonctionne souvent près de sa charge nominale | Perte en charge | Valeur de la perte en charge à pleine charge en kW | Comparez soigneusement les pertes en charge. Une perte en charge plus faible peut réduire le coût énergétique et la chaleur. |
| La charge varie fortement entre le jour et la nuit | Les deux types de pertes | Perte à vide + profil de charge | Estimez la perte annuelle en utilisant les heures de fonctionnement réelles et le facteur de charge moyen. |
| Transformateur utilisé seulement occasionnellement | La perte à vide peut être moins importante | Heures sous tension par an | Un transformateur à faibles pertes plus cher peut ne pas être rentabilisé rapidement. |
| Le transformateur est surdimensionné | Perte à vide et mauvaise efficacité | Charge moyenne réelle vs capacité nominale | Sélectionnez une capacité plus proche de la charge réelle, avec une marge future raisonnable. |
| Le transformateur fonctionne dans une pièce chaude ou mal ventilée | Perte en charge et chaleur | Perte en charge, élévation de température, conditions de refroidissement | Des pertes plus faibles et un meilleur refroidissement aident à réduire le stress thermique. |
| Le prix de l’énergie est élevé | Les deux types de pertes | Coût annuel des pertes | Un transformateur à faibles pertes prend une valeur financière plus importante. |
La règle pratique est simple :
La perte à vide importe le plus lorsque le transformateur reste sous tension pendant de nombreuses heures. La perte en charge importe le plus lorsque le transformateur supporte un courant élevé pendant de nombreuses heures.
Ainsi, avant de choisir un transformateur, les acheteurs devraient se demander :
- Combien d’heures par an le transformateur restera-t-il sous tension ?
- Quelle est la charge moyenne prévue ?
- Quelles sont les valeurs de perte à vide et de perte en charge ?
- Quel montant de coût d’électricité un transformateur à faibles pertes peut-il faire économiser ?
Cela suffit pour une décision d’achat pratique. L’objectif n’est pas toujours d’acheter le transformateur aux pertes les plus basses. L’objectif est de choisir un transformateur dont le niveau de perte correspond aux conditions de fonctionnement réelles.
Conclusion
La perte de transformateur est l’un des facteurs les plus importants dans la sélection d’un transformateur.
Pour les acheteurs et les ingénieurs, la perte de transformateur ne doit pas être traitée comme un petit détail technique. C’est un facteur clé du coût sur la durée de vie et de la performance du système de distribution d’énergie.
Lors de la comparaison des devis de transformateurs, vérifiez toujours la perte à vide, la perte en charge, l’efficacité, l’élévation de température et les données d’essai. Le transformateur dont le prix d’achat est le plus bas n’est peut-être pas le transformateur le moins coûteux sur l’ensemble de sa durée de vie opérationnelle.
FAQ
Quelles sont les pertes d’un transformateur ?
Les pertes de transformateur correspondent à la partie de la puissance électrique d’entrée qui n’est pas fournie à la charge. La plupart des pertes de transformateur sont converties en chaleur.
Qu’est-ce que la perte à vide dans un transformateur ?
La perte à vide est la perte qui existe dès que le transformateur est sous tension, même lorsqu’il y a peu ou pas de charge. Elle est principalement causée par les pertes magnétiques dans le noyau.
Qu’est-ce que la perte en charge dans un transformateur ?
La perte en charge est la perte qui augmente lorsque le courant circule dans les enroulements du transformateur. Elle est principalement causée par la résistance des enroulements et les pertes parasites.
Pourquoi la perte en charge augmente-t-elle avec le courant ?
La perte en charge est liée à I²R. Cela signifie que lorsque le courant augmente, la perte par résistance des enroulements augmente beaucoup plus rapidement.
Lequel est le plus important, la perte à vide ou la perte en charge ?
Cela dépend des conditions de fonctionnement. La perte à vide est plus importante pour les transformateurs sous tension pendant de longues périodes avec une charge légère. La perte en charge est plus importante pour les transformateurs fonctionnant près de leur charge nominale.
Les pertes de transformateur affectent-elles la température ?
Oui. La plupart des pertes de transformateur se transforment en chaleur. Des pertes plus élevées peuvent augmenter l’élévation de température et accélérer le vieillissement de l’isolation.
Un transformateur à faibles pertes est-il toujours meilleur ?
Techniquement, des pertes plus faibles sont généralement préférables. Économiquement, cela dépend des heures de fonctionnement, du prix de l’électricité, du profil de charge et de la différence de prix entre les conceptions standard et à faibles pertes.
Que dois-je vérifier dans un devis de transformateur ?
Vous devriez vérifier la perte à vide, la perte en charge, l’efficacité, l’élévation de température, le matériau des enroulements, le matériau du noyau, la méthode de refroidissement, la norme applicable et le rapport d’essai.
