Comment la conception du noyau du transformateur affecte-t-elle la perte d’énergie et l’efficacité ?

Dans les systèmes électriques modernes, les transformateurs sont des équipements clés dans le processus de transport et de distribution d’énergie, et leurs performances sont directement liées au niveau d’efficacité énergétique de l’ensemble du système. Parmi les nombreux facteurs décisifs, la conception du noyau de fer est sans aucun doute l'un des maillons essentiels qui affectent l'efficacité et la consommation d'énergie du transformateur.
1. Le rôle du noyau de fer dans le transformateur
Le principe de fonctionnement de base du transformateur est l'induction électromagnétique, et le noyau de fer est le « pont intermédiaire » dans ce processus. Lorsque le courant alternatif circule dans l'enroulement primaire, un flux magnétique alternatif est généré dans le noyau de fer, induisant ainsi une tension dans l'enroulement secondaire. Les propriétés magnétiques du noyau de fer affectent directement l’efficacité du transfert de flux magnétique, ce qui affecte également les performances globales en matière d’efficacité énergétique du transformateur.

2. L'impact de la conception du noyau de fer sur la consommation d'énergie
La consommation d'énergie du transformateur est principalement composée de deux parties : la perte de cuivre (causée par la résistance de l'enroulement) et la perte de fer (causée par le changement du champ magnétique à l'intérieur du noyau de fer). La conception du noyau a un impact particulièrement important sur ce dernier. La perte de fer se présente sous deux formes principales :

1. Perte par courants de Foucault
Lorsque le champ magnétique alternatif traverse le noyau de fer, un courant circulaire, c'est-à-dire un « courant de Foucault », est induit dans le métal, générant de l'énergie thermique et provoquant une perte d'énergie. La perte par courants de Foucault est liée à l’épaisseur et à la conductivité du noyau de fer. L'utilisation de tôles d'acier au silicium plus fines ou de matériaux amorphes et l'exécution d'un traitement de revêtement isolant peuvent supprimer efficacement la formation de courants de Foucault et réduire cette partie des pertes.

2. Perte d'hystérésis
En raison du « phénomène d'hystérésis » des matériaux ferromagnétiques lors de l'aimantation et de la démagnétisation, chaque changement de flux magnétique consomme de l'énergie. La perte par hystérésis est étroitement liée à la perméabilité magnétique, à la force coercitive et à d’autres propriétés du matériau du noyau de fer. L'acier au silicium orienté de haute qualité ou les matériaux amorphes ont des boucles d'hystérésis plus étroites, réduisant ainsi les pertes d'énergie.

3. L’impact de la conception du noyau de fer sur l’efficacité
Un noyau de fer bien conçu peut non seulement réduire les pertes d'énergie, mais également améliorer l'efficacité et la fiabilité globales du transformateur. Les performances spécifiques sont les suivantes :

1. Sélection des matériaux
Les matériaux de base courants comprennent l'acier au silicium à grains orientés laminé à froid (CRGO), l'acier au silicium laminé à chaud, les alliages amorphes, etc. Parmi eux, les alliages amorphes sont largement utilisés dans les transformateurs économes en énergie en raison de leur disposition atomique désordonnée et de leur perte magnétique extrêmement faible. Le choix des matériaux affecte directement des paramètres clés tels que la perméabilité magnétique, la valeur de perte et la densité de flux de saturation.

2. Structure de base
Le noyau a principalement deux types : le type laminé (structure laminée) et le type enroulé (tel que le noyau amorphe). Le type laminé est constitué de plusieurs couches de fines tôles d'acier isolées et empilées, ce qui contribue à réduire les pertes par courants de Foucault ; le noyau enroulé présente une continuité, un circuit magnétique plus fluide et une perte d'énergie plus faible.

3. Taille et forme du noyau
Une taille raisonnable du noyau et une conception de forme transversale peuvent réduire le phénomène de saturation locale provoqué par une distribution inégale de la densité du flux magnétique, réduisant ainsi les pertes locales et prolongeant la durée de vie de l'équipement. Le noyau de section circulaire ou elliptique présente une distribution de flux magnétique plus uniforme et des pertes plus faibles.

4. Tendances d'optimisation dans les applications pratiques
Utiliser des matériaux amorphes : par rapport à l'acier au silicium traditionnel, les noyaux amorphes présentent des pertes moindres dans des conditions de faible charge et conviennent aux scénarios d'économie d'énergie tels que les transformateurs de distribution et les systèmes d'énergie solaire.

Améliorer la précision du traitement : le raffinement des processus de cisaillement, d'empilage et d'enroulement des noyaux peut réduire les entrefers, améliorer la continuité du circuit magnétique et réduire les fuites d'énergie.

Adoptez une conception de structure triphasée à cinq colonnes ou en anneau : par rapport aux noyaux traditionnels de type E ou de type U, certaines nouvelles structures ont de meilleures caractéristiques de distribution du flux magnétique et améliorent l'efficacité.

Introduire la conception de simulation par éléments finis : dans la conception moderne des transformateurs, les logiciels de simulation sont largement utilisés pour analyser avec précision la forme et les propriétés électromagnétiques du noyau afin d'optimiser davantage les performances de consommation d'énergie.

Noyau du transformateur la conception ne concerne pas seulement la sélection des matériaux, mais également une réflexion globale sur l'adéquation de la structure, du processus et du système. Une conception de noyau efficace peut réduire considérablement les pertes de fer et améliorer l’efficacité énergétique globale, réduisant ainsi le gaspillage d’énergie, prolongeant la durée de vie des équipements et réduisant les coûts d’exploitation. Aujourd'hui, alors que la neutralité carbone et l'énergie verte sont de plus en plus valorisées, l'optimisation de la conception du noyau du transformateur est devenue un élément important de la promotion du développement durable des systèmes électriques.