Pourquoi les transformateurs ne sont jamais connectés aux alimentations CC
Les transformateurs sont des équipements électriques de base qui s'appuient sur l'induction électromagnétique pour réaliser l'isolation du courant de conversion de tension et la transmission de puissance. Leur conception structurelle et leur principe de fonctionnement dépendent entièrement des caractéristiques du courant alternatif (AC), ce qui les rend incompatibles avec les alimentations en courant continu (DC) pour les principales raisons suivantes :
1. L’alimentation CC ne peut pas déclencher une induction électromagnétique entraînant une perte de fonction du transformateur
Le principe fondamental de fonctionnement d'un transformateur repose sur l'induction mutuelle entre deux enroulements (enroulement primaire et enroulement secondaire) autour d'un noyau de fer commun. Lorsqu'un courant alternatif traverse l'enroulement primaire, il génère un flux magnétique alternatif dans le noyau de fer (la direction et l'ampleur du flux magnétique changent périodiquement avec le courant alternatif) et ce flux magnétique alternatif coupe l'enroulement secondaire pour induire une force électromotrice (EMF) dans l'enroulement secondaire selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, réalisant ainsi la conversion de tension et la transmission de puissance. Lorsqu'une alimentation CC est connectée à l'enroulement primaire, le courant CC a une amplitude et une direction constantes (pas de changement périodique) et ce courant constant ne peut générer qu'un flux magnétique statique dans le noyau de fer (le flux magnétique ne change pas avec le temps). Étant donné que l'induction électromagnétique nécessite des « changements de flux magnétique » pour induire des CEM, le flux magnétique statique ne peut pas couper l'enroulement secondaire, ce qui entraîne une CEM induite nulle dans l'enroulement secondaire et le transformateur perd complètement sa fonction de conversion de tension et de transmission de puissance.
2. L’alimentation CC provoque une grave saturation du noyau de fer et un courant d’enroulement excessif
(1) Saturation magnétique du noyau de fer
The iron core of a transformer is made of high-permeability silicon steel sheets which are designed to work in the linear magnetic permeability range under AC conditions. Under AC excitation the alternating magnetic flux changes periodically and the iron core magnetic density fluctuates within a safe range (usually 1.2-1.8T) to avoid saturation. When DC current is applied the static magnetic flux in the iron core will continue to increase with the DC current (following the magnetizing curve of the iron core) and since DC has no "zero-crossing" process (unlike AC which periodically resets the magnetic flux) the iron core magnetic density will quickly exceed the saturation point (typically >2T). Une fois saturée, la perméabilité du noyau de fer chute fortement (proche de celle de l'air) et la réactance magnétisante de l'enroulement primaire diminue considérablement.
(2) Courant excessif de l’enroulement primaire
En fonctionnement normal en courant alternatif, l'enroulement primaire d'un transformateur a une grande réactance magnétisante (Xₘ) qui limite le courant magnétisant à une petite valeur (généralement 2 à 8 % du courant nominal). Lorsqu'il est connecté au courant continu, le noyau de fer saturé fait approcher la réactance magnétisante Xₘ de zéro et à ce moment l'enroulement primaire est équivalent à un circuit à résistance pure (seule la résistance continue R de l'enroulement lui-même existe). Étant donné que la résistance CC de l'enroulement du transformateur est extrêmement faible (généralement quelques ohms ou moins) selon la loi d'Ohm (I=U/R), le courant primaire augmentera fortement jusqu'à une valeur extrêmement élevée, souvent des dizaines, voire des centaines de fois, le courant nominal. Par exemple, si un transformateur de 10 kV (courant nominal primaire de 57,7 A, résistance CC de l'enroulement 10 Ω) est connecté par erreur à une alimentation de 10 kV CC, le courant primaire atteindra I = 10 000 V / 10 Ω=1000A (17 fois le courant nominal) et ce courant excessif provoquera une grave surchauffe de l'enroulement en peu de temps.
3. Surchauffe et dommages à l'équipement causés par la connexion CC
(1) Grillage de l'isolation des enroulements
Le courant continu excessif dans l'enroulement primaire génère une grande quantité de chaleur par chauffage Joule (Q=I²Rt) et l'isolation de l'enroulement (généralement une isolation en fil émaillé ou une isolation en papier) a une résistance à la température limitée (par exemple, isolation de classe A : 105 degrés Isolation de classe B : 130 degrés). En peu de temps (de quelques secondes à quelques minutes), la chaleur générée par le courant excessif dépassera la limite de résistance à la température de l'isolation, provoquant la fusion de l'isolation, sa carbonisation ou même son incendie et conduisant à un court-circuit entre les spires de l'enroulement ou entre l'enroulement et le noyau de fer.
(2) Surchauffe du noyau de fer
Sous excitation CC, le noyau de fer saturé produira une perte anormale de courants de Foucault et bien que les tôles d'acier au silicium du noyau de fer soient recouvertes d'une couche isolante pour réduire la perte de courants de Foucault dans des conditions CA, le flux magnétique statique sous CC entraînera une densité magnétique locale trop élevée traversant la couche isolante dans certaines zones et générant d'importants courants de Foucault. Ces courants de Foucault provoqueront une surchauffe rapide du noyau de fer, entraînant une déformation des tôles d'acier au silicium ou des dommages à la structure du noyau.
(3) Risque d'explosion ou d'incendie
Dans les cas graves, la combustion de l'isolation de l'enroulement et la surchauffe du noyau de fer peuvent enflammer l'huile isolante (dans les transformateurs immergés dans l'huile) ou d'autres matériaux organiques à l'intérieur du transformateur, entraînant une explosion ou un incendie qui constitue une menace sérieuse pour la sécurité des systèmes électriques et du personnel.
4. Remarque spéciale : La conversion DC-DC repose sur le « DC pulsé » au lieu du DC pur
Il convient de préciser que certains dispositifs électroniques de puissance (tels que les transformateurs CC dans les systèmes de transmission de puissance CC) peuvent réaliser une conversion de tension CC mais n'utilisent pas le principe traditionnel du transformateur. Ils convertissent d'abord le courant continu pur en courant continu pulsé (ou courant alternatif haute-fréquence) via des commutateurs électroniques de puissance (tels que les IGBT), puis utilisent un transformateur haute-fréquence (fonctionnant dans des conditions CA/pulsé) pour ajuster la tension et enfin la rectifier en courant continu. Ce processus repose essentiellement sur une excitation par impulsions « de type CA - et non sur une connexion CC directe à un transformateur traditionnel.
En conclusion, le principe de fonctionnement du transformateur dépend intrinsèquement de la nature alternative du courant alternatif et le connecter au courant continu lui fera non seulement perdre sa fonction de base, mais provoquera également une surchauffe grave et des dommages permanents à l'équipement. Par conséquent, les transformateurs sont strictement conçus pour les alimentations CA et ne doivent jamais être connectés à une alimentation CC.