Un transformateur de courant permet la conversion de courants élevés en une plage de courant mesurable. Les relais incorporés dans plusieurs systèmes de protection sont mis en œuvre de telle sorte que le courant fourni par un transformateur de courant puisse être utilisé pour les actionner. Il est également jugé difficile de mesurer des courants alternatifs de grande amplitude à l'aide d'ampèremètres normaux à plage basse et, par conséquent, les transformateurs de courant sont utilisés comme étage intermédiaire à des fins de mesure et d'isolation.
Figure 1. Une variété de transformateurs de courant. Image fournie par Talema Group.
Magnétique composants électriques , en général, ont été utilisés dans différents appareils électroniques de puissance pendant des décennies. Ils sont utilisés pour le contrôle, le transfert et le conditionnement de l'énergie électrique à différentes étapes et sous de multiples formes.
Les concepteurs sont toujours à la recherche de nouveaux matériaux, topologies et processus afin d'améliorer les performances. Il fut un temps dans l'histoire où la conception du magnétisme était plus considérée comme un art qu'une science. En effet, la conception dépendait principalement de techniques d'essais et d'erreurs, de formules empiriques et de considérations empiriques. En outre, il y a eu plusieurs tentatives pour normaliser le processus de conception pour le rendre plus fiable et reproductible.
Lisez la suite pour en savoir plus sur le principe de fonctionnement d'un transformateur de courant et les concepts clés impliqués.
Transformateurs de courant et aperçu du circuit
Les transformateurs de courant sont utilisés pour mesurer le courant circulant dans les circuits haute puissance, généralement pour les circuits de mesure ou de rétroaction. L'utilisation de transformateurs de courant est préférée à la mesure des courants en utilisant des shunts de courant en série avec le trajet du courant, en raison des avantages d'un transformateur de courant comme l'isolation entre le circuit de puissance et le circuit de mesure, une contribution moindre aux pertes de puissance et une bonne réjection de mode commun [1]. En général, un transformateur prend en charge le couplage AC, Tension et transformation du niveau de courant avec isolation DC [2].
Figure 2. Utilisation d'un transformateur de courant pour mesurer un courant élevé. [3]
Les considérations pratiques de conception des transformateurs de courant sont régies par la capacité à conduire efficacement les valeurs nécessaires des courants d'enroulement primaire et secondaire. Cela se traduit par le bon choix de conducteurs ainsi que la capacité d'obtenir un couplage de puissance adéquat. Idéalement, une régulation de tension serrée sans fuite et sans pertes de courant - hystérésis ou tourbillon - ainsi qu'une faible distorsion de courant d'excitation globale sont souhaitées.
Si tous ces objectifs de conception doivent être entièrement atteints, le produit résultant peut être volumineux, ce qui n'est pas non plus prévu. C'est donc un équilibre extrêmement difficile à trouver en termes de réalisation de la meilleure conception possible sur la base de ces considérations.
Principe de fonctionnement
Les transformateurs de courant appartiennent à la famille des transducteurs de courant qui génèrent un courant secondaire proportionnel au courant circulant à travers le côté primaire en amplitude.
L'enroulement primaire est conçu de telle sorte qu'il se compose d'une ou plusieurs spires ayant une grande section transversale et est généralement connecté en série avec le circuit qui doit être détecté pour le flux de courant [4].
L'enroulement secondaire a un nombre de spires plus élevé et est constitué d'un fil avec une section transversale plus petite. L'enroulement secondaire est connecté à la bobine de fonctionnement du relais ou à l'instrument de mesure de courant.
Figure 3. Représentation d'un transformateur de courant [4]
Le domaine d'application d'un type spécifique de transformateur de courant est régi par sa précision, le rapport entre les courants primaire et secondaire, le type d'isolation utilisé, la construction mécanique et les conditions de fonctionnement externes.
Le fonctionnement du transformateur de courant est similaire à celui des transformateurs de puissance conventionnels car ils fonctionnent essentiellement comme des transformateurs élévateurs de tension. En règle générale, la valeur du courant sera inférieure du côté haute tension et vice versa. Ainsi, lorsque le côté primaire est sous tension, les ampères-tours du côté primaire produiront un champ magnétique dans le noyau.
Une force électromotrice est induite du côté secondaire en raison du flux magnétique généré qui à son tour entraîne le courant secondaire. Les ampères-tours sont équilibrés dans le primaire et le secondaire, et la chute de tension dans le primaire est également beaucoup moins, ce qui rend le courant primaire indépendant du courant secondaire.
Design Insights pour les transformateurs de courant
La conception du transformateur de courant est un compromis en termes de coût, de poids, de nombre de spires de l'enroulement et de ses performances globales [1]. L'augmentation de la zone centrale améliore les performances, mais affecte négativement le coût et la taille globale. Des noyaux en ferrite ou en acier sont utilisés et un plus grand nombre de spires secondaires est préféré. En règle générale, une bonne conception de transformateur de courant se concentre sur la tension inférieure du côté secondaire, l'utilisation d'un matériau à haute perméabilité, une surface de noyau élevée et de grandes spires secondaires.
Les considérations habituelles pour le choix des matériaux de noyau comprennent une faible perte de noyau, une faible valeur de réluctance et une faible densité de flux. Le papier, le vernis, les matériaux de ruban et leurs variantes sont utilisés à des fins d'isolation.
Un transformateur de courant peut être de type bobiné ou de type barre. Dans le cas des applications basse tension de type bobiné, les spires secondaires sont enroulées sur une bakélite suivies de spires primaires avec une isolation appropriée entre les couches. Dans le type barre, une seule barre forme l'enroulement primaire et passe par le centre du noyau.
Figure 4. Les transformateurs de courant peuvent être de type barre ou bobiné.
Références clés:
- L. Umanand, SR Bhat, «Design of Magnetic composants électriques pour les convertisseurs de puissance à découpage », Wiley Eastern Limited.
- Marian K. Kazimierczuk, «Composants magnétiques haute fréquence», John Wiley and Sons, Ltd.
- Marcel Dekkar, «Manuel de conception des transformateurs et des inducteurs», 2004.
- Transformateur de courant