Simulation de transformateurs : Comment réaliser facilement des tests de circuit ouvert et de court-circuit dans SOLIDWORKS ?

Un transformateur est une machine électrique statique qui transfère l'énergie électrique entre 2 ou plusieurs circuits par le principe de l'induction électromagnétique.

Comme le montre la figure 1, le transformateur est constitué d'un noyau (généralement en acier laminé), d'un enroulement primaire et d'un enroulement secondaire. Un courant variant dans le temps dans la bobine primaire produit un champ magnétique variant dans le temps. Ce champ magnétique variable dans le temps induit une tension dans la bobine secondaire. Ceci est dû au principe de la loi d'induction de Faraday. Ainsi, l'énergie peut être facilement transférée d'un circuit à l'autre sans contact physique. Alors pourquoi est-ce important ?

Figure 1 : Un transformateur monophasé

Applications des transformateurs

Les transformateurs trouvent une application utile dans l'industrie de l'énergie électrique. Dans les applications d'énergie électrique, les transformateurs sont utilisés pour augmenter ou diminuer la tension alternative. Depuis l'adoption du courant alternatif, les transformateurs sont devenus omniprésents dans l'industrie de la transmission et de la distribution de l'énergie électrique. Les transformateurs sont également utilisés dans les secteurs de l'électronique et de la radiofréquence et leur taille varie donc. Les plus petits transformateurs utilisés dans l'industrie de la radiofréquence sont de l'ordre de quelques centimètres cubes et les transformateurs de grande puissance utilisés pour interconnecter les réseaux électriques peuvent être de l'ordre de quelques mètres cubes et peser plusieurs tonnes.

Pertes dans les transformateurs

Il existe deux principaux types de pertes dans un transformateur qui sont utiles aux ingénieurs.

1. Perte de base
2. Perte d'enroulement

L'objectif d'une bonne conception est de réduire les pertes dans le transformateur. Une fois qu'un transformateur est conçu, les ingénieurs construisent un prototype, puis mesurent les pertes à l'aide de tests en circuit ouvert et en court-circuit. Ces tests permettent également aux ingénieurs de créer un circuit équivalent d'un transformateur. Une fois que vous avez le circuit équivalent d'un transformateur, il est très facile de remplacer le transformateur par son circuit équivalent et d'effectuer une simulation au niveau du système.

Essai en circuit ouvert

Le test en circuit ouvert, tel qu'illustré à la figure 2 par son schéma de connexion, est utilisé pour déterminer la perte dans le noyau d'un transformateur. Comme son nom l'indique, il n'y a pas de charge dans l'un des enroulements (généralement le côté haute tension du transformateur). La tension dans l'enroulement basse tension est progressivement augmentée jusqu'à ce qu'elle soit égale à la tension nominale du circuit basse tension. Le wattmètre qui est connecté au circuit basse tension est utilisé pour mesurer la puissance d'entrée et cette valeur est considérée comme la perte dans le noyau du transformateur.

Figure 2 : Essai en circuit ouvert

Test de court-circuit

La figure 3 montre le schéma de connexion de l'essai de court-circuit. Le côté basse tension du transformateur est court-circuité. Maintenant, du côté haute tension, la tension est progressivement augmentée jusqu'à ce que le courant atteigne le courant nominal du côté haute tension. La lecture du wattmètre peut être approximée comme la perte de cuivre dans le transformateur. Le test de court-circuit est donc utilisé pour déterminer la perte de cuivre dans le transformateur.

Figure 3 : Essai de court-circuit

Simulation d'essais en circuit ouvert et en court-circuit

La caractéristique intéressante de la simulation dans EMS est la possibilité d'effectuer les deux tests susmentionnés virtuellement dans SOLIDWORKS. Pour le test en circuit ouvert, les entrées suivantes sont nécessaires :

1. Propriété du matériau du noyau - la courbe B-H du matériau en acier, les détails du laminage, la courbe de perte du noyau pour le laminé (courbe P-B).
2. La tension nominale du côté basse tension doit être appliquée à l'enroulement basse tension.
3. Le côté haute tension doit être maintenu ouvert, c'est-à-dire qu'un courant égal à 0 ampère doit être appliqué à l'enroulement haute tension.

Une fois la simulation terminée, EMS donne la perte du noyau comme sortie. On peut également obtenir le courant côté basse tension à partir d'EMS.

Pour effectuer une simulation de test de court-circuit, les entrées suivantes sont nécessaires.

1. Le côté basse tension doit être court-circuité. Par conséquent, nous appliquons une tension nulle sur l'enroulement basse tension.
2. Dans l'enroulement haute tension, nous appliquons différentes tensions et mesurons le courant jusqu'à ce que nous obtenions un courant égal au courant nominal du côté haute tension. Ceci peut être réalisé en utilisant la simulation paramétrique dans EMS où la tension appliquée peut être modifiée et le courant mesuré. Ensuite, on prend la valeur de la tension qui donne le courant nominal et on effectue la simulation de court-circuit.

Une fois la simulation terminée, EMS donne la valeur de la perte de cuivre, de l'inductance de fuite et de la résistance de l'enroulement. Les résultats des tests en circuit ouvert et en court-circuit sont utilisés pour créer le circuit équivalent du transformateur.

Discussion des résultats, y compris le circuit équivalent

Dans cette section, je vais vous montrer brièvement la modélisation à l'intérieur d'EMS et discuter des résultats obtenus.

La figure 4 montre le modèle SOLIDWORKS utilisé pour la simulation du transformateur.

Figure 4 : Transformateur monophasé simulé dans EMS

La figure 5 montre le matériau utilisé pour le stratifié.

Figure 5 : Matériaux utilisés pour les stratifiés

La figure 6 montre la définition de la bobine dans l'EMS. Les résultats sont obtenus pour les simulations en circuit ouvert et en court-circuit. Dans EMS, chaque test est effectué comme une étude séparée.

Figure 6 : Définition de la bobine à l'intérieur de l'EMS

La figure 7 montre le tableau des résultats.

Figure 7 : Le tableau des résultats contient tous les résultats, y compris la perte de base.

La figure 8 montre le tracé en coupe de l'induction magnétique pour l'essai en circuit ouvert.

Figure 8 : Tracé en coupe de l'intensité du flux magnétique

Conclusion

EMS for SOLIDWORKS est un logiciel de simulation très efficace et pratique grâce auquel les ingénieurs peuvent créer une géométrie 3D de leurs transformateurs et simuler des tests en circuit ouvert et en court-circuit. La perte dans le noyau calculée par l'essai en circuit ouvert était de 11 watts et la perte dans le cuivre calculée par l'essai en court-circuit était d'environ 188 et 200 W dans les bobines primaire et secondaire respectivement. La figure 9 montre le circuit équivalent final du transformateur.

Figure 9 : Circuit équivalent du transformateur

Regardez le webinaire sur la simulation de transformateurs

Pour voir EMS en action et voir comment simuler des études de circuit ouvert et de court-circuit dans EMS, cliquez ci-dessous pour regarder le webinaire sur la simulation de transformateur :