Un autotransformateur est un transformateur doté d'un seul enroulement continu et d'une ou plusieurs prises, de sorte qu'une partie de l'enroulement est commune à l'entrée et à la sortie ; il peut modifier la tension de manière efficace et compacte mais ne fournit généralement pas d'isolation galvanique.
Principe du bobinage partagé
La section commune transporte la différence entre les courants primaire et secondaire, tandis que la section série transporte le courant de charge selon le branchement. L'énergie est transférée en partie par induction et en partie par conduction électrique directe à travers l'enroulement partagé.
Fonctionnement élévateur et abaisseur
Connecter la source sur l'ensemble de l'enroulement et la charge sur une prise fournit un fonctionnement abaisseur ; inverser la relation fournit un fonctionnement élévateur dans les limites des caractéristiques nominales de conception. La polarité et la connexion des prises déterminent si les tensions s'additionnent ou se soustraient.
Pourquoi la taille et les pertes peuvent être plus faibles
Lorsque le rapport de tension est proche de un, seule une partie de la puissance apparente totale est transformée par induction. Cela peut réduire le cuivre, la taille, la masse, les pertes, la chute de tension et le coût par rapport à un transformateur à deux enroulements de même puissance traversante.
La limite d'isolement
L'entrée et la sortie sont connectées électriquement. Un défaut, une surtension, un problème de neutre ou une défaillance d'isolement peuvent se propager d'un côté à l'autre d'une manière qu'un transformateur d'isolement empêcherait. Ne remplacez jamais un autotransformateur là où la sécurité, la mise à la terre, le filtrage du bruit ou un système à découplage neutre-terre exigent une isolation.
Applications types
Les applications comprennent le démarrage de moteurs, la correction modeste de tension, l'interconnexion de systèmes de tensions similaires, les alimentations variables de laboratoire, les systèmes ferroviaires et la régulation de la tension des réseaux. Chacune nécessite l'examen de la mise à la terre, du courant de défaut, de la plage de prises et de la protection.
Variac et autotransformateurs variables
Un autotransformateur variable utilise un contact mobile sur un enroulement exposé ou accessible pour fournir une tension alternative réglable. Sa sortie peut rester dangereuse à une tension indiquée basse et peut dépasser l'entrée nominale près de la limite supérieure. Ce n'est pas un dispositif d'isolement.
Évaluations et protection
Spécifiez la plage de tension d'entrée et de sortie, la fréquence, le kVA traversant, le kVA d'enroulement ou transformé, le courant à chaque borne, les prises, l'impédance, le régime de court-circuit, le niveau d'isolement, l'échauffement, le boîtier, le refroidissement et la mise à la terre. Coordonnez la protection avec le courant d'appel et de défaut.
Autotransformateur versus transformateur à deux enroulements
Choisissez un autotransformateur pour une conversion efficace entre des tensions proches lorsque le raccordement électrique est acceptable. Choisissez un transformateur à deux enroulements lorsque l'isolation, la mise à la terre indépendante, le rapport, le confinement des défauts ou les exigences du système l'emportent sur les avantages en termes de taille et d'efficacité.
Un exemple résolu : 240 V à 120 V
Considérez un autotransformateur monophasé idéal alimentant une charge de 120 V, 10 A à partir d'une source de 240 V. La puissance apparente de la charge est de 120 × 10 = 1 200 VA. En négligeant les pertes et le courant d'excitation, le courant de la source est de 1 200 ÷ 240 = 5 A. Une prise située à mi-chemin des spires effectives fournit la relation de tension requise. Ces chiffres expliquent le principe ; ils ne constituent ni un plan de construction ni la spécification d'un enroulement quelconque.
La section entre la borne de 240 V et la prise de 120 V transporte 5 A. Au niveau de la prise, le courant se divise entre la charge et la section de l'enroulement commun. Dans ce cas idéal, le courant de la section commune a une amplitude de 5 A et circule dans la direction opposée nécessaire pour l'équilibre des ampères-tours. Il est donc incorrect de dire qu'une partie quelconque de l'enroulement d'un autotransformateur transporte la totalité du courant de charge de 10 A.
Pour cet exemple, la tension de la section série est de 120 V, sa puissance apparente transformée est donc de 120 × 5 = 600 VA, tandis que la charge reçoit 1 200 VA. Le reste est transféré par la connexion électrique directe. Ce transfert partagé explique l'avantage matériel. Les unités réelles doivent en outre tenir compte de l'échauffement des enroulements, des calibres des contacts, de l'isolation, des pertes et du régime de défaut ; l'arithmétique à elle seule ne peut pas établir une valeur nominale commerciale.
Qu'est-ce qui change lorsque le rapport de tension est proche de un ?
Pour un autotransformateur abaisseur idéal avec k = Vbas/Vhaut, la fraction de puissance de passage transformée par induction est égale à 1 − k. En passant de 240 V à 220 V, on obtient k ≈ 0,917 ; cette fraction est donc d'environ 8,31 TP3T. En passant de 240 V à 24 V, on obtient une fraction de 90%. Par conséquent, l’avantage du bobinage commun est le plus important pour une variation de tension modérée et diminue à mesure que le rapport augmente.
Cela ne signifie pas qu'un appareil de 240 à 220 V peut être substitué à une alimentation de 240 à 24 V en sélectionnant une autre borne. L'enroulement, le chemin du courant et l'isolation ont été conçus pour des raccordements spécifiques. Cela ne prouve pas non plus une efficacité fixe ou une économie de prix. Comparez les pertes testées et l'ensemble complet proposé, y compris le boîtier, la protection et l'équipement de prise, avec l'alternative à deux enroulements.
Autotransformateur par rapport au transformateur d'isolement
| Décision | Autotransformateur | Transformateur à enroulements séparés |
|---|---|---|
| Connexion électrique entre la source et la charge | L'enroulement partagé fournit un chemin conducteur | Les enroulements sont électriquement séparés par conception. |
| Correction de tension modeste | Souvent une solution compacte où une base commune est acceptable | Possible, généralement avec plus de matériel pour la même puissance de passage |
| Référence secondaire indépendante | Ne peut pas être présumé | Peut prendre en charge un agencement dérivé séparément lorsqu'il est correctement conçu |
| Sortie de laboratoire variable | La prise mobile peut régler la tension ; la sortie reste connectée au secteur | L'isolation seule n'implique pas une sortie réglable |
| Courant de défaut | Faible impédance fréquente ; une étude du système reste nécessaire | Dépend de son impédance déclarée et de l'alimentation en amont |
Le Discussion OpenStax sur la sécurité électrique et l'isolation aide à expliquer le rôle d'un circuit séparé. Un réglage de basse tension de sortie sur un autotransformateur variable n'est pas la preuve qu'un conducteur de sortie est sûr par rapport à la terre. Une installation nécessitant une séparation de protection doit utiliser un équipement expressément conçu à cet effet.
Comment fonctionne un démarreur de moteur à autotransformateur
Un démarreur à tension réduite applique une fraction sélectionnée de la tension d'alimentation pendant l'accélération, puis bascule le moteur sur sa connexion de marche. Dans le modèle simplifié, si le moteur reçoit une fraction de tension k, son courant à rotor bloqué est approximativement égal à k fois le courant de démarrage direct, tandis que le courant d'alimentation traversant un autotransformateur idéal est approximativement égal au carré de k fois ce courant. Le couple de démarrage chute également de manière approchée avec le carré de la tension.
L'avantage est une perturbation de l'alimentation réduite, mais le couple inférieur doit tout de même accélérer la charge réelle. Un convoyeur fortement chargé ou une machine à haute inertie ne peut pas être évalué uniquement par une réduction de courant attrayante. La conception doit tenir compte du temps d'accélération, de la méthode de transition, des démarrages par heure, de la charge thermique et de la courbe de charge mécanique. Ces relations simplifiées sont des outils de présélection ; les données du fabricant du moteur et la conception complète du démarreur régissent la sélection.
Limites de sortie et de courant variables
Un autotransformateur variable utilise un contact qui se déplace le long d'une surface d'enroulement préparée. La sortie peut généralement varier sur sa plage spécifiée, et certaines conceptions incluent une plage supérieure à la tension d'entrée nominale. Lisez l'échelle exacte et le manuel. Les limites de courant du contact, de l'enroulement et des bornes continuent de s'appliquer à tension réduite : l'abaissement de la tension de sortie ne permet pas nécessairement un courant de sortie proportionnellement plus élevé.
Par exemple, un appareil limité à 5 A ne peut pas fournir automatiquement 50 A lorsque sa tension de sortie est réduite à un dixième de la tension nominale. L'erreur fréquente est de considérer que toute la valeur VA de la plaque signalétique est disponible à chaque position du bouton. La charge, le contact des balais et la conception thermique doivent être vérifiés. Les autotransformateurs variables ne convertissent pas non plus le courant alternatif en courant continu et ne modifient pas la fréquence.
Que faut-il inclure dans un cahier des charges d'achat
Distinguez le kVA aux bornes du kVA transformé en interne sur chaque offre. Citer l'un alors que l'acheteur s'attend à l'autre peut faire paraître comparables deux propositions dont les capacités de charge réelles diffèrent.
Indiquez si le service est une correction de tension continue, une alimentation d'essai variable, un démarrage de moteur ou une interconnexion de réseau. Identifiez toutes les tensions aux bornes et les valeurs de courant, la phase et la fréquence, la plage de prises, l'exigence d'isolement, la disposition du neutre et l'élévation de température admissible. Incluez le profil de charge prévu ainsi que tout service de démarrage ou cyclique. Une valeur nominale pour le démarrage d'un moteur ne peut pas simplement être traitée comme des kVA continus.
Demandez le schéma de raccordement réel, l'impédance, les données de pertes, les exigences relatives aux dispositifs de protection et les instructions d'installation. Vérifiez la plage de sortie en charge et la variation d'alimentation autorisée. Pour les applications industrielles, l'examen doit établir comment un défaut de bobinage ou de neutre affecte l'équipement raccordé. Exigences d'installation électrique de l'OSHA renforcer la nécessité d'utiliser l'équipement conformément à ses limites nominales et à ses instructions d'utilisation.
Guides sur les transformateurs associés et contexte du produit
Examinez le Guide des fondamentaux des transformateurs pour les principes sous-jacents. Pour les questions connexes, lisez Que fait un transformateur abaisseur ? Fonctionnement et utilisations et Qu'est-ce qu'un transformateur d'isolement ? Sécurité, utilisations et sélection. Pour les spécifications du matériel de distribution, voir le transformateur de puissance immergé dans l'huile de 35 kV; confirmez la portée réelle du produit et les classifications avant de l'utiliser dans un projet.
Vidéo : le principe sous-jacent du transformer
G K Agrawal illustre le principe électrique discuté ici. Cette explication de fond complète l'article ; elle ne démontre ni n'autorise les travaux sur le terrain.
Foire aux questions
Un autotransformateur fournit-il une isolation ?
Normalement non. Son enroulement partagé crée une connexion conductrice entre la source et la charge. Utilisez une conception appropriée à enroulements séparés lorsque l'isolation est requise.
Pourquoi un autotransformateur est-il plus petit pour des tensions proches ?
Une seule partie de la puissance traversante est transférée par induction ; la connexion partagée transfère le reste. L'avantage matériel est maximal lorsque le rapport de transformation est proche de un.
Un autotransformateur variable peut-il fournir un courant illimité à basse tension ?
Non. Les limites de courant pour l'enroulement, les balais et les bornes s'appliquent toujours. La réduction de la tension de sortie n'augmente pas automatiquement le courant admissible en proportion inverse.
Un autotransformateur change-t-il la fréquence ?
Non. Il modifie la tension alternative en fonction de son raccordement et de sa prise tout en préservant normalement la fréquence de la source. Ce n'est pas un convertisseur alternatif-continu.
Pourquoi un démarreur de moteur réduit-il le couple ainsi que le courant ?
Une tension moteur réduite réduit le couple électromagnétique, approximativement avec le carré de la tension dans le modèle de démarrage simplifié. La charge réelle doit toujours accélérer dans les limites du régime thermique autorisé.
