Les enroulements primaire et secondaire d’un autotransformateur sont liés à la fois électriquement et magnétiquement, réduisant ainsi les coûts par rapport aux transformateurs conventionnels.
Contrairement au précédent transformateur de tension qui possède deux enroulements électriquement isolés appelés : le primaire et le secondaire, un autotransformateur n’a qu’un seul enroulement de tension qui est commun aux deux côtés. Cet unique enroulement est « dérivé » à différents points le long de sa longueur pour fournir un pourcentage de la tension primaire à travers sa charge secondaire. Ainsi, l’autotransformateur possède le noyau magnétique habituel mais n’a qu’un seul enroulement, qui est commun aux circuits primaire et secondaire.
Par conséquent, dans un autotransformateur, les enroulements primaire et secondaire sont liés à la fois électriquement et magnétiquement. Le principal avantage de ce type de conception de transformateur est qu’il peut être fabriqué à un coût bien moindre pour la même capacité VA, mais le plus gros inconvénient d’un autotransformateur est qu’il ne possède pas l’isolation entre l’enroulement primaire et secondaire d’un transformateur double enroulement conventionnel.
La section de l’enroulement désignée comme la partie primaire de l’enroulement est connectée à la source d’alimentation AC, le secondaire étant une partie de cet enroulement primaire. Un autotransformateur peut également être utilisé pour augmenter ou diminuer la tension d’alimentation en inversant les connexions. Si le primaire est l’enroulement total et est connecté à une alimentation, et que le circuit secondaire est connecté à seulement une partie de l’enroulement, alors la tension secondaire est « diminuée » comme montré.
Conception d’Autotransformateur
Lorsque le courant primaire IP circule à travers l’unique enroulement dans la direction de la flèche comme montré, le courant secondaire IS circule dans la direction opposée. Par conséquent, dans la portion de l’enroulement qui génère la tension secondaire, VS, le courant sortant de l’enroulement est la différence entre IP et IS.
L’autotransformateur peut également être construit avec plus d’un point de dérivation unique. Les autotransformateurs peuvent être utilisés pour fournir des points de tension différents le long de son enroulement ou augmenter sa tension d’alimentation par rapport à sa tension d’alimentation VP comme montré.
Points de Dérivation Multiples
La méthode standard pour marquer les enroulements d’un autotransformateur consiste à les étiqueter avec des lettres capitales. Par exemple, A, B, Z etc. pour identifier la connexion d’alimentation. Généralement, la connexion neutre commune est marquée N ou n. Pour les points de dérivation secondaires, des numéros suffixes sont utilisés pour tous les points de dérivation le long de l’enroulement primaire de l’autotransformateur. Ces numéros commencent généralement par le numéro « 1 » et continuent dans l’ordre croissant pour tous les points de dérivation comme montré.
Marquages des Terminaux d’Autotransformateur
Un autotransformateur est principalement utilisé pour les ajustements des tensions de ligne pour soit changer sa valeur, soit la maintenir constante. Si l’ajustement de tension est d’un petit montant, soit à la hausse soit à la baisse, alors le rapport de transformation est faible car VP et VS sont presque égaux. Les courants IP et IS sont également presque égaux.
Par conséquent, la portion de l’enroulement qui porte la différence entre les deux courants peut être fabriquée à partir d’une taille de conducteur beaucoup plus petite, puisque les courants sont beaucoup plus faibles, ce qui réduit le coût d’un transformateur à double enroulement équivalent.
Cependant, la régulation, l’inductance de fuite et la taille physique (puisqu’il n’y a pas de deuxième enroulement) d’un autotransformateur pour une capacité VA ou KVA donnée sont inférieures à celles d’un transformateur à double enroulement.
Les autotransformateurs sont clairement beaucoup moins chers que les transformateurs à double enroulement classiques de la même capacité VA. Lorsque l’on décide d’utiliser un autotransformateur, il est courant de comparer son coût à celui d’un type à double enroulement équivalent.
Cela se fait en comparant la quantité de cuivre économisée dans l’enroulement. Si le rapport « n » est défini comme le rapport de la tension inférieure à la tension supérieure, alors on peut montrer que l’économie de cuivre est : n*100%. Par exemple, l’économie de cuivre pour les deux autotransformateurs serait :
Exemple d’Autotransformateur No1
Un autotransformateur est nécessaire pour augmenter une tension de 220 volts à 250 volts. Le nombre total de tours de bobinage sur l’enroulement principal du transformateur est de 2000. Déterminez la position du point de dérivation primaire, les courants primaire et secondaire lorsque la sortie est évaluée à 10KVA et l’économie de cuivre réalisée.
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Ainsi, le courant primaire est de 45.4 ampères, le courant secondaire tiré par la charge est de 40 ampères et 5.4 ampères circulent à travers l’enroulement commun. L’économie de cuivre est de 88%.
Inconvénients d’un Autotransformateur
- Le principal inconvénient d’un autotransformateur est qu’il ne dispose pas de l’isolation entre les enroulements primaire et secondaire d’un transformateur double enroulement classique. Un autotransformateur ne peut donc pas être utilisé en toute sécurité pour diminuer des tensions plus élevées à des tensions beaucoup plus basses adaptées à des charges plus petites.
- Si l’enroulement côté secondaire devient en circuit ouvert, le courant de charge cesse de circuler dans l’enroulement primaire, stoppant l’action du transformateur et entraînant l’application de la tension primaire intégrale aux bornes secondaires.
- Si le circuit secondaire subit une condition de court-circuit, le courant primaire résultant serait beaucoup plus important qu’un transformateur à double enroulement équivalent en raison de l’augmentation du couplage magnétique, endommageant ainsi l’autotransformateur.
- Étant donné que la connexion neutre est commune aux enroulements primaires et secondaires, la mise à la terre de l’enroulement secondaire met automatiquement à la terre le primaire car il n’existe pas d’isolation entre les deux enroulements. Les transformateurs à double enroulement sont parfois utilisés pour isoler l’équipement de la terre.
L’autotransformateur a de nombreux usages et applications, notamment le démarrage de moteurs à induction, utilisé pour réguler les tensions des lignes de transmission, et peut être utilisé pour transformer des tensions lorsque le ratio primaire à secondaire est proche de l’unité.
Un autotransformateur peut également être fabriqué à partir de transformateurs conventionnels à deux enroulements en reliant les enroulements primaire et secondaire en série et selon la façon dont la connexion est faite, la tension secondaire peut ajouter ou soustraire à la tension primaire.
Le Variac
En plus d’avoir un secondaire fixe ou dérivé qui produit une sortie de tension à un niveau spécifique, il existe une autre application utile de l’arrangement de type autotransformateur qui peut être utilisée pour produire une tension AC variable à partir d’une source AC fixe. Ce type de Transformateur Autotransformateur Variable est généralement utilisé dans les laboratoires et les labos scientifiques dans les écoles et les universités et est plus communément connu sous le nom de Variac.
La construction d’un autotransformateur variable, ou variac, est la même que pour le type fixe. Un enroulement primaire unique enroulé autour d’un noyau magnétique stratifié est utilisé comme dans l’autotransformateur, mais au lieu d’être fixé à un point de dérivation prédéterminé, la tension secondaire est dérivée par une brosse en carbone.
Cette brosse en carbone est tournée ou glissée le long d’une section exposée de l’enroulement primaire, établissant un contact avec lui à mesure qu’elle se déplace, fournissant le niveau de tension requis.
Ensuite, un autotransformateur variable contient un point de dérivation variable sous la forme d’une brosse en carbone qui glisse le long de l’enroulement primaire, ce qui contrôle la longueur de l’enroulement secondaire et donc la tension de sortie secondaire est entièrement variable, allant de la valeur de tension d’alimentation primaire à zéro volts.
L’autotransformateur variable est généralement conçu avec un nombre significatif de tours d’enroulement primaire pour produire une tension secondaire qui peut être ajustée de quelques volts à des fractions de volt par tour. Cela est réalisé car la brosse en carbone ou le curseur est toujours en contact avec un ou plusieurs tours de l’enroulement primaire. Les tours de bobinage primaire sont régulièrement espacés le long de leur longueur. Ainsi, la tension de sortie devient proportionnelle à la rotation angulaire.
Transformateur Autotransformateur Variable
Nous pouvons voir que le variac peut ajuster la tension à la charge en douceur de zéro à la tension d’alimentation nominale. Si la tension d’alimentation était dérivée à un certain point le long de l’enroulement primaire, alors potentiellement la tension de sortie secondaire pourrait être supérieure à la tension d’alimentation réelle. Les autotransformateurs variables peuvent également être utilisés pour atténuer les lumières et, lorsqu’ils sont utilisés dans ce type d’application, ils sont parfois appelés « dimmerstats ».
Les Variacs sont également très utiles dans les ateliers et laboratoires électriques et électroniques, car ils peuvent être utilisés pour fournir une alimentation AC variable. Mais des précautions doivent être prises avec une protection par fusible appropriée pour garantir que la tension d’alimentation plus élevée ne soit pas présente aux bornes secondaires en cas de conditions de défaut.
Les autotransformateurs ont de nombreux avantages par rapport aux transformateurs à double enroulement conventionnels. Ils sont généralement plus efficaces pour la même capacité VA, sont plus petits en taille, et comme ils nécessitent moins de cuivre dans leur construction, leur coût est inférieur par rapport aux transformateurs à double enroulement de la même capacité VA. De plus, leurs pertes de noyau et de cuivre, I2R, sont inférieures en raison de la moindre résistance et de la réactance de fuite, offrant une meilleure régulation de tension que le transformateur à deux enroulements équivalent.
Dans le prochain tutoriel sur les Transformateurs, nous examinerons un autre type de transformateur qui n’a pas d’enroulement primaire conventionnel enroulé autour de son noyau. Ce type de transformateur est couramment appelé Transformateur de Courant et est utilisé pour alimenter des ampèremètres et d’autres indicateurs de puissance électrique.
