Pourquoi les transformateurs AC ne brûlent-ils pas

Je connais à peine le fonctionnement d'un transformateur CA. Après avoir consulté cette question:

Pourquoi tous les moteurs ne brûlent-ils pas instantanément?

Cela m'a fait penser à la même chose avec les transformateurs AC.

La bobine primaire doit fournir très peu de résistance et permettre ainsi à beaucoup de courant de circuler. Je suppose que la résistance vient du champ magnétique fluctuant. Est-ce correct? Si oui, je suppose que le courant augmente lorsqu'une charge est placée sur la bobine secondaire parce que le champ magnétique ne s'effondre pas dans la bobine primaire mais est utilisé par la bobine secondaire à la place?

Cela signifie-t-il également que si un courant continu était placé sur un transformateur, cela causerait des problèmes? (c.-à-d. courant très élevé)

Je suis sûr que je ne dis pas cela correctement, alors j'espère que quelqu'un pourra me redresser.

Pour résumer ma question, quel est le comportement de la bobine primaire d'un transformateur (en termes de flux de courant) lorsqu'aucune charge n'est placée sur la bobine secondaire, et qu'est-ce qui change lorsqu'une charge est placée sur la bobine secondaire?

Andy vous a donné la réponse académique classique à vos questions. Tout ce qu'il a déclaré est exact, mais je doute qu'en tant que débutant, vous en comprendrez la plupart. Alors, laissez-moi essayer une explication simple.

Le primaire d'un transformateur est une bobine enroulée autour d'un noyau de fer qui peut prendre plusieurs formes. Cet enroulement primaire a une très faible résistance. (Mesurez la résistance d'un transformateur de puissance typique utilisé dans un équipement de banc électronique avec un multimètre numérique et vous constaterez que ce n'est que quelques Ohms.) Connectez une source de tension CC à cela, le résultat est tout à fait prévisible. La source de tension fournira un courant aussi important que possible à l'enroulement primaire et le transformateur deviendra très chaud et montera probablement en fumée. Cela, ou votre alimentation CC fera sauter un fusible, se consumera ou passera en mode de limitation de courant s'il en est équipé. Soit dit en passant, alors que ce courant élevé circule, l'enroulement primaire produit en fait un champ magnétique unidirectionnel dans le noyau du transformateur.

Maintenant, mesurez l'inductance du secondaire avec un compteur LRC. (Il s'agit d'un appareil semblable à un multimètre numérique qui ne mesure que l'inductance, la résistance et la capacité - "LRC".) Pour un transformateur de puissance à 60 Hz, vous lirez probablement quelques henries d'inductance sur ses fils principaux.

Ensuite, appliquez cette valeur "L" à la formule pour calaculer la "réactance inductive" (" X L ") de l'enroulement primaire où "f" est la fréquence principale AC de 60 Hz pour les États-Unis. . La réponse, X L , est exprimée en Ohms tout comme la résistance DC, mais dans ce cas ce sont des "Ohms AC", aussi appelés "impédance".$X_L = 2 \pi f L$$X_L$$X_L$

$X_L$$I = \frac{V}{X_L}$. Dans le cas habituel des États-Unis, nous avons 120 volts RMS comme V. Vous verrez maintenant que le "I" actuel est une valeur tout à fait raisonnable. Probablement quelques centaines de milliampères ("RMS" également). C'est pourquoi vous pouvez appliquer 120 volts au transformateur non chargé et il fonctionnera pendant un siècle sans problème. Ce courant primaire de quelques centaines de milliampères, appelé «courant d'excitation», produit de la chaleur dans la bobine primaire du transformateur, mais la masse mécanique du transformateur peut gérer cette quantité de chaleur par conception pratiquement pour toujours. Néanmoins, comme décrit ci-dessus, il ne faudrait pas une alimentation de 5 V CC mais quelques minutes pour brûler ce même transformateur si cette alimentation CC était capable de fournir un courant suffisamment important pour piloter avec succès la bobine CC à faible R. Voilà le "miracle" de la réactance inductive! Il'

C'est pour le transformateur non chargé. Maintenant, connectez une charge résistive appropriée au secondaire. Le courant d'excitation décrit ci-dessus continuera de circuler à peu près à la même ampleur. Mais maintenant, un courant supplémentaire circulera dans le primaire. C'est ce qu'on appelle le «courant réfléchi» - le courant qui est «provoqué» par la charge résistive secondaire tirant le courant du secondaire du transformateur. L'amplitude de ce courant réfléchi est déterminée par le rapport de spires du transformateur de puissance. La façon la plus simple de déterminer le courant réfléchi est d'utiliser la méthode "VA" (volts-ampères). Multipliez la tension secondaire du transformateur par le courant en ampères tiré par la charge résistive attachée au secondaire. (Il s'agit essentiellement de "Watts" - volts fois ampères.) La "méthode VA" dit que la VA du secondaire doit être égale à la VA incrémentielle du primaire. ("Incrémental" dans ce cas signifie "en plus du courant d'excitation".) Donc, si vous avez un transformateur de courant alternatif typique avec un primaire 120 VRMS et un secondaire 6 VRMS et que vous attachez une résistance 6 Ohms au secondaire, cela Une charge de 6 ohms tirera 1,0 A RMS du secondaire. Ainsi, la VA secondaire = 6 x 1 = 6. Cette VA secondaire doit être numériquement égale à la VA primaire, où la tension est de 120 VRMS. 0 Amp RMS du secondaire. Ainsi, la VA secondaire = 6 x 1 = 6. Cette VA secondaire doit être numériquement égale à la VA primaire, où la tension est de 120 VRMS. 0 Amp RMS du secondaire. Ainsi, la VA secondaire = 6 x 1 = 6. Cette VA secondaire doit être numériquement égale à la VA primaire, où la tension est de 120 VRMS.
VA primaire = VA secondaire = 6 = 120 x I.
I = 6/120 ou seulement 50 milliampères RMS.

Vous pouvez vérifier la plupart de ces informations à l'aide d'un multimètre numérique simple pour mesurer les courants dans le primaire et le secondaire dans des conditions de charge et à vide. Essayez-le vous-même, mais soyez prudent sur le primaire car ce 120 VRMS est presque mortel. Cependant, vous ne pourrez PAS observer directement le courant "incrémentiel" dans le primaire provoqué par l'ajout de la charge au secondaire. Pourquoi? Cette réponse n'est pas si simple! Le courant d'excitation et le courant réfléchi sont déphasés de 90 degrés. Ils "s'additionnent", mais ils s'additionnent selon les mathématiques vectorielles, et c'est une autre discussion tout à fait.

Malheureusement, la réponse magnifiquement exprimée d'Andy ci-dessus sera à peine appréciée à moins que le lecteur comprenne les mathématiques vectorielles telles qu'elles sont appliquées aux circuits CA. J'espère que ma réponse et vos expériences de vérification vous donneront une compréhension numérique au niveau de l'intestin du fonctionnement d'un transformateur de puissance.

Je suppose que le courant augmente lorsqu'une charge est placée sur la bobine secondaire parce que le champ magnétique ne s'effondre pas dans la bobine primaire mais est utilisé par la bobine secondaire à la place?

Cela semble juste, mais ce n'est pas le cas. D'une manière générale, pour un transformateur raisonnablement efficace, la magnétisation du noyau est constante dans toutes les conditions de charge secondaire. Le problème est, comment puis-je expliquer que sans vous convaincre que le circuit équivalent du transformateur (ci-dessous) ne se trompe pas: -

A noter: -

• Xm est 99,9% de l'inductance primaire du transformateur
• Xp (inductance de fuite primaire) représente les 0,1% finaux de l'inductance primaire
• Xs et Rs sont l'inductance de fuite secondaire et la résistance d'enroulement rapportées au primaire par action du rapport de spires au carré.
• La chose qui ressemble à un transformateur (à droite) ne doit pas être considérée comme telle - c'est un convertisseur de puissance parfait et ne génère aucun magnétisme - c'est un appareil pour aider les maths et je souhaite aux boffins qui dessinent ces images le montrerait comme une boîte noire !!

Comme vous pouvez le voir, même dans des conditions de charge élevée, la chute de tension de Rp et Xp est faible par rapport à une tension alternative d'entrée et cela signifie que la tension aux bornes de Xm est assez constante. Notez que Xm est le seul composant qui produit du magnétisme dans le noyau. Pas convaincu hein? Je ne te blâmerais pas.

Voici une autre façon de voir les choses

La série de 4 images ci-dessous tente de démontrer que les contributions de flux des courants de charge au primaire et au secondaire sont égales et opposées et donc le flux s'annule. Il montre un simple transformateur 1: 1 mais s'applique également à différents rapports de spires car le flux est proportionnel aux ampères-tours et non aux amplis. Regardez chaque image numériquement à tour de rôle: -

1) Oui, l'impédance d'un transformateur ouvert provient du champ magnétique fluctuant (essayant de changer le champ magnétique du noyau)

2) Oui, si une tension continue est placée sur le primaire, vous avez des problèmes, le transformateur peut brûler. (À moins qu'il ne soit évalué pour ce courant, pour une raison quelconque). J'ai perdu la bobine d'une vieille moto plusieurs fois pour des raisons similaires: laissé allumé avec le moteur éteint, la bobine a brûlé et le plastique a coulé.

3) Sans charge sur le secondaire, le courant traversant le primaire doit passer par l'inductance très grande / très rigide («inductance de fuite») de la bobine primaire.

4) Avec une charge sur le secondaire, le courant secondaire annule l'effet sur le coeur du courant primaire.

Un transformateur conçu pour que le courant continu le traverse est appelé un réacteur saturable et est utilisé comme interrupteur; c'est-à-dire que le DC sature le noyau magnétique, donc l'alimentation AC ne peut pas changer le flux dans le noyau, ergo, la tension AC secondaire est nulle. Lorsque le courant continu est coupé, le flux dans le noyau peut maintenant changer et l'action normale du transformateur a lieu, conduisant à une tension alternative au secondaire.

Un appareil similaire, mais qui s'appuie sur un courant alternatif saturant le noyau, est appelé transformateur ferro-résonnant. Ceux-ci ont été utilisés pour stabiliser à peu de frais la tension secondaire d'un transformateur. Cet appareil possède deux secondaires, dont l'une est court-circuitée par un condensateur de grande valeur, l'autre étant l'enroulement de sortie.