La saturation magnétique sur un transformateur

La saturation magnétique d'un transformateur se manifeste par l'augmentation du courant qui le traverse jusqu'à des valeurs beaucoup plus grandes que les valeurs nominales. Dans certains cas, la saturation est souhaitée mais il faut que le montage soit prévu à cet effet et que la saturation y soit maîtrisée.

Peut-on alimenter un transfo 230V par une tension plus élevée ? Si oui, de combien ?

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La saturation magnétique du transformateur (primaire)

Il existe une tension maximale par spire à partir de laquelle la saturation magnétique apparaît. Pour mettre cela en évidence, on branche le primaire d'un transfo torique de 100VA sur une source de tension 50Hz de valeur variable. La source utilisée ne donne pas plus de 250V. Pour saturer le transfo, on peut faire arriver ces 250V sur un nombre réduit de spires au primaire (10 à 20% en moins).

On réalise un point milieu au primaire en dégageant le bobinage primaire. Il faut écarter le bobinage secondaire et l'isolant puis entailler (au cutter) l'isolant des spires primaires. Entre l'entaille fraîchement obtenue et une extrémité du primaire d'origine, on vient mesurer la résistance électrique à l'ohmmètre. La résistance mesurée est proportionnelle à la longueur du fil, donc au nombre de spires.

Plusieurs essais seront sans doute nécessaires pour réduire de 10 à 20% le nombre de spires primaires.

Cette manipulation est bien sûr facultative, sauf si on souhaite supprimer des spires au primaire ou que la source de tension utilisée ne donne pas une tension suffisante pour atteindre une saturation prononcée.

Description du point milieu au primaire (prototype)

Résistance mesurée entre une borne (un des deux fils du primaire d'origine) et l'entaille : 16.6 Ohms

Résistance du primaire : 19.5 Ohms.

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En reliant le primaire du transfo au 230V, on obtient les tensions suivantes :

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Le point milieu doit donc recevoir 196V nominaux. Ci dessous, on voit l'allure du courant pour des tensions (230V à 250V) arrivant sur le point milieu. Le transfo fonctionne donc au delà de sa tension par spire prévue !

Le courant observé s'appelle le courant magnétisant (ici, le transfo fonctionne à vide : courant secondaire nul).

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Saturation magnétique visible : augmentation vertigineuse du courant crête

On observe des pointes de courant en fin de demi alternances de la tension. A la fin des demi alternances, le flux magnétique dans le circuit magnétique (tôle du transfo) a atteint son maximum, et, à partir de là, le courant augmente de façon incontrôlée : c'est la saturation magnétique.

Les mesures de courant efficace (mesure "efficace vraie", "true RMS") figurent ci dessous pour une tension V1' de 180 à 250V :

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Saturation magnétique : une petite augmentation de tension crée une très grande variation du courant crête.

La tension au primaire (V1) est aussi notée, c'est la tension qu'il aurait fallu apporter si le point milieu n'était pas créé.

La proportionnalité entre V1 et V1' est excellente. La tension d'entrée (V1) est portée à 280V environ pour que le courant appelé sur V1' reste "raisonnable" (100mA environ). Le transfo torique étudié entre en saturation lorsque la tension primaire (V1) dépasse 270 à 280V. Or, c'est un transfo 230V. Il y a donc une certaine marge.

Remarque : on peut brancher le 230V secteur sur le point milieu. Cela réduit le nombre de spires au primaire, et ainsi la résistance électrique et l'effet Joule... Pour ne pas modifier la tension secondaire, il faudra diminuer du même pourcentage le nombre de spires au secondaire. Cela diminue la résistance électrique, et donc l'effet Joule. Le transfo pourra ainsi délivrer un courant plus grand : sa puissance nominale est augmentée !

Attention à la tension du secteur et aux tensions générées au primaire du transfo !

Saturation dans le secondaire du transformateur

On applique une tension sinus 50Hz au secondaire du transformateur. Le même style de mesure peut être fait sur le secondaire en réduisant la tension de la source de tension. On obtient des résultats très semblables.

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Saturation magnétique observée quand on applique une tension sur le secondaire

La tension nominale de ce secondaire est de 34,7V. A partir de 40V environ apportés au secondaire, le courant consommé augmente très nettement. La saturation magnétique apparaît donc. En effet, ce transfo était prévu pour donner (ou recevoir) 34,7V au secondaire. Pour un niveau de saturation identique, le courant au secondaire (I2) est plus élevé qu'au primaire parce qu'il y a moins de spires.

D'autres mesures sont récapitulées ci dessous :

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Mesure des tension et courants efficaces dans le transformateur

Par ailleurs, V1 et V2 restent proportionnels.

Saturation magnétique dans le secondaire

On peut réaliser les mêmes mesures sur le secondaire 9,5V (celui qui possède le moins de spires).

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Saturation magnétique sur le secondaire 9,5V

D'autres mesures sont récapitulées ci-dessous :

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De même, il y aussi proportionnalité des tensions et saturation (augmentation brutale de I2').

Lorsque la tension arrive au secondaire, le transfo fonctionne en élévateur et donne jusqu'à 280V !

Créer 4000V à partir d'un transfo 12V ?

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Saturation magnétique ?

L'idée serait de brancher le secondaire d'un transfo 12V dans la prise de courant en espérant retrouver 4000V au primaire... En faisant cela, le transfo va complètement saturer (disons qu'il peut recevoir 14 ou 15V au secondaire tout au plus avant de saturer) et l'appel de courant sera dangereux et fera sauter les plombs et/ou grillera le secondaire du transformateur. A ne jamais faire : inutile et dangereux !

Conclusion

La saturation magnétique est atteinte lorsque la tension efficace par spire dépasse un certain seuil. Cela correspond, pour un primaire de transfo 230V 100VA, à une tension de l'ordre de 270 à 280V à partir de laquelle le courant magnétisant augmente de façon incontrôlée.

Attention : la tension secteur et la tension générée au primaire sont dangereuses !

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Johnny
Le 15 oct. 2010 20:33

Fou !! Félicitation à l'auteur

Jarima
Le 14 nov. 2012 14:31

bravo!!

Robson
Le 17 mai 2014 09:57

je peut savoir , la tension de jirama a mon cartier est tres faible jusq'a 100v,que je peut faire pour le stable a 220v je pose ce question par ce que je pas d'argent d'aller au magasin de prendre un stabilisateur

Med
Le 4 nov. 2014 10:43

est ce que la saturation d'un transformateur peut provoquer le déclenchement du disjoncteur qui protege ce transformateur

nina67 Nina67
Le 4 nov. 2014 16:00

bonjour med, oui, parce que le courant consommé va devenir très grand. C'est ce qui se passe si vous branchez un transfo 110V sur du 230V ou un transfo 230V sur du 400V. Cordialement

Davidd
Le 19 oct. 2019 17:41

Bonjour Nina67, Merci pour cet excellent article! Qu en est il de la saturation magnétique non plus d un transformateur mais d une bobine soumise à un échelon de tension svp ? Je m'explique: dans une borne de jardin solaire, un accu de 1,2V alimente une led (seuil 3V) grâce à un convertisseur dc/dc. Ce convertisseur possède une bobine( de couleur verte et de la forme d une resistance)câblée entre le + et le collecteur d un transistor avec émetteur à la masse sans résistance. Ce dernier est saturé afin que la bobine accumule de l énergie puis bloqué afin que la bobine restitue son énergie. D ou ma question: durant la phase d accumulation, a un certain moment ,la tension du collecteur doit augmenter. Cet augmentation est transmise par un condensateur à un autre transistor qui bloquera le premier... Cet augmentation de tension sur le collecteur pendant la phase d accumulation est elle dû à la saturation magnétique de la bobine ? De plus, je pensais qu un transistor saturé (sans resistance d emetteur )avait sa tension Vce(sat)fixe et proche de la masse? Merci d avance pour vos précisions. David

nina67 Nina67
Le 21 oct. 2019 10:03

bonjour, la saturation d'une inductance simple est tout à fait comparable. L'augmentation de la tension Vce du transistor qui commute la bobine (le transistor de "puissance" du montage) est sans doute due au fait que sa base est alimentée par un courant limité, et donc son courant collecteur est limité. A un certain point, le courant dans la bobine atteint cette limite, devient donc constant et égal à cette limite (i est constant, donc di/dt est nul, donc plus de tension aux bornes de la bobine, donc toute la tension se retrouve entre collecteur et émetteur). Certains montages auto oscillants (ballast de lampe fluo compacte, transfo électronique de lampe halogène) sont basés sur la satuation d'un transfo d'impulsion : à flux saturé constant, la tension aux bornes des autres enroulements s'annule (phi= constant, et du coup, dphi/dt est nul). La commande du second transistor amplifie les variations d'état on/off du transistor de "puissance". Ce type de montage est sans doute proche d'un "voleur de Joule" (Joule thief). Vous pourrez regarder cet article que j'ai trouvé : http://www.talkingelectronics.com/projects/LEDTorchCircuits/LEDTorchCircuits-P1.html

Davidd
Le 22 oct. 2019 18:39

Bonjour Nina67, merci beaucoup pour ces explications! J'ai survolé l'article que vous m'avez donné en lien, il parait excellent , je vais donc l'imprimer pour pouvoir décortiquer tout ça... lol Bonne soirée (ou journée)! Cordialement