Dans un scénario typique, un technicien CVC contacte les experts pour parler d'une nouvelle unité de toit avec une tension nominale de 230 volts, mais elle reçoit un approvisionnement en tension constant de seulement 208 volts, ce qui provoque des déclenchements fréquents du compresseur en raison de la chute de tension. La solution s'avère être une tâche assez simple prenant 20 minutes et coûtant environ $200 ; il existe un dispositif simple, une petite boîte fixée à côté du déconnecteur qui augmente la tension à 230 volts, connu sous le nom de transformateur buck-boost. Les transformateurs buck-boost ne sont pas bien compris et sont assez déroutants car ils ont un aspect compact similaire à celui d'un transformateur mais ne fonctionnent pas de la même manière.
Cet article sert de guide pratique pour comprendre les problèmes possibles résolus par les transformateurs buck-boost, le fonctionnement d'un autotransformateur, la capacité d'un transformateur de 1 kVA à supporter une charge de 9,5 kVA, les principes de fonctionnement des transformateurs buck-boost dans des systèmes monophasés et triphasés, leur construction basée sur la différenciation entre les transformateurs d'isolement, les transformateurs de distribution et d'autres problèmes pertinents rencontrés par les utilisateurs, y compris le potentiel de surtension dû au neutre ouvert dans les systèmes à quatre fils existants.
En conclusion, un transformateur buck-boost est un type d'autotransformateur qui est utilisé pour effectuer de petites variations de tension (de 5 pour cent à 20 pour cent, par exemple, de 208 V à 230 V ou de 240 V à 208 V) qui est généralement utilisé pour des équipements électriques tels que des moteurs, des équipements CVC ou des appareils fabriqués à l'étranger. Dans la plupart des cas, seule la variation de tension est transmise aux enroulements du transformateur ; cela est dû au fait que la puissance kVA du transformateur est calculée en fonction de la différence entre la tension de sortie et la tension secondaire régulière, ce qui signifie qu'un transformateur kVA fonctionnant à 208 volts et augmentant à 230 volts peut être utilisé à une charge d'environ 9,58 kVA. Le transformateur buck-boost fonctionne très efficacement (97 à 99 pour cent) et est supposé avoir une durée de vie de 20 à 30 ans, tandis qu'il n'a pas d'isolement, ainsi qu'une faible plage de stabilisation de la tension.
Ce que fait réellement un transformateur Buck et Boost
Deux tâches et un seul nom définissent le dispositif car c'est la même unité avec deux arrangements de fils différents.
- Le terme boost fait référence à la fourniture de tension. Les enroulements secondaires sont câblés en phase avec le primaire pour obtenir une sortie comme entrée et la tension à travers l'enroulement. Par exemple, une alimentation de 208 volts passe à 232 volts lorsqu'il y a 24 volts dans la bobine secondaire.
- Buck fait référence à l'élimination de la tension. Les bobines secondaires sont câblées à l'envers, et la sortie est donnée par la tension d'entrée moins la tension de l'enroulement. En connectant 240 volts à l'équipement, la tension de sortie serait de 208 volts lorsqu'il y a 32 volts dans l'enroulement, et ainsi de suite.
C'est tout le concept. Il fonctionne sur le principe de l'ajustement de la tension. Selon ce principe de fonctionnement, aucune création de puissance ne se produit, ni il n'y a de changements de fréquence ou de phase. L'avantage principal d'avoir le dispositif est que la distribution de tension en Amérique du Nord est tout sauf standardisée lorsque les gens pensent différemment. En Amérique du Nord, des valeurs de tension nominales telles que 208 V, 240 V, 480 V ou 600 V font référence à une plage de tensions basée sur la position des prises du transformateur, la longueur des lignes électriques et l'état de charge. Par exemple, un bâtiment situé à une plus grande distance de la centrale électrique peut avoir une tension de 197 V lorsque la charge est lourde et peut avoir 213 volts lorsqu'elle est légère.
Si vous voulez le vocabulaire qui entoure ces valeurs — rapport de transformation, impédance, élévation de température, prises — les spécifications des transformateurs expliquées vaut la peine d'être lu avant de spécifier quoi que ce soit, car un buck-boost est spécifié différemment de tout autre transformateur dans le catalogue.
Pourquoi un Buck-Boost de 1 kVA peut supporter 9,5 kVA
C'est la section qui perplexe le plus les acheteurs et c'est aussi pourquoi les transformateurs buck-boost peuvent sembler assez petits pour le travail qu'ils effectuent.
Dans les transformateurs d'isolement, toute la puissance de charge est transformée par le biais du noyau de manière magnétique. Cela signifie que la charge de 10 kVA nécessite un transformateur de 10 kVA. Cependant, dans un autotransformateur, le chargement des enroulements primaire et secondaire se fait avec un enroulement pour les deux. Il convient de noter que seule la différence de tension subit une conversion puisque la puissance électrique maximale passe de l'entrée à la sortie sans conversion. La formule pratique ici serait :
Charge kVA = Transformateur kVA × (Tension de sortie ÷ Tension secondaire nominale)
Un exemple simple serait le cas d'alimenter 208 V avec le buck-boost de 1 kVA avec un secondaire de 12/24 V connecté pour 24 V.
La logique se lit comme suit :
230 ÷ 24 = 9,58, ce qui signifie que le transformateur de 1 kVA fonctionne pour une charge de 9,58 kVA. Il convient de noter comment la boîte de 27 lb fonctionne sous la charge qui, dans d'autres cas, nécessiterait un transformateur d'isolement de 10 kVA.
Le même principe est également applicable lors de la réduction. Si vous utilisez le même dispositif mais réduisez 240 V à 208 V, il vous donnera 208 ÷ 24 = 8,67, ce qui fournit 8,67 kVA de charge à partir du dispositif de 1 kVA.
| Application | Entrée → Sortie | Enroulement utilisé | Multiplicateur | Charge du dispositif de 1 kVA |
|---|---|---|---|---|
| Augmenter HVAC / moteur | 208 V → 230 V | 24 V | 9.58× | 9,58 kVA |
| Augmenter à 240 V | 208 V → 240 V | 32 V | 7.50× | 7,50 kVA |
| Réduire à 208 V | 240 V → 208 V | 32 V | 6.50× | 6,50 kVA |
| Réduire à 208 V | 240 V → 216 V | 24 V | 9.00× | 9,00 kVA |
| Réduction de machines importées | 480 V → 380 V | 100 V | 3.80× | 3,80 kVA |
| Réduction de l'alimentation moteur | 480 V → 460 V | 20 V | 23.0× | 23,00 kVA |
La dernière ligne est la raison pour laquelle les transformateurs buck-boost peuvent être trouvés dans presque toutes les anciennes usines industrielles. La chute de 480 V à 460 V pour correspondre à la tension nominale du moteur représente une diminution de 4%, entraînant un énorme multiplicateur et une très petite unité.
Un dimensionnement correct signifie aller dans la direction opposée à celle de la façon dont on dimensionne les transformateurs. La puissance kVA requise est basée sur la charge réelle connectée car se tromper peut multiplier cette erreur. Le service continu par rapport au service non continu et le courant de démarrage du moteur définissent ensuite si l'appareil fonctionne à froid ou à chaud.
Les systèmes monophasés et triphasés se comportent différemment.
Afin de fournir une alimentation triphasée, les transformateurs buck-boost sont reliés ensemble, où les moyens de connexion appropriés dépendent fortement de la configuration du transformateur.
Un circuit delta triphasé à trois fils se compose de deux dispositifs monophasés connectés pour donner une configuration delta ouverte. Cet agencement permet l'utilisation typique de phase sur deux unités tout en dérivant la troisième phase, ce qui est acceptable en cas de charge équilibrée. Cependant, des charges déséquilibrées peuvent entraîner une défaillance de la troisième phase, il est donc essentiel d'assurer une évaluation correcte de la charge avant de procéder à ce design.
Un circuit étoile triphasé à quatre fils n'offre aucun avantage électrique lors de l'utilisation de deux transformateurs monophasés en fonctionnement. En fait, un agencement delta ouvert ne fonctionnerait pas dans un système à quatre fils, qui comprend la grande majorité des charges de 120 V fournies par un panneau 208Y/120 V. Dans un système 208Y/120 V, lorsque les trois phases sont augmentées de 24 V et converties en 232Y/134 V, cela fournit une tension inacceptable livrée à la charge, c'est-à-dire 134 V à l'unité, ce qui n'est pas conforme aux normes de déviation 10% des tolérances établies par la plupart des entreprises lors de l'utilisation de transformateurs buck-boost.
L'évaluation des charges de moteur en tenant compte du transformateur buck-boost nécessite de vérifier la rotation de phase en fonction du type d'équipement et du courant de démarrage basé sur le type de courant d'appel utilisé. L'autotransformateur permet d'éviter l'énorme quantité de dommages de démarrage via un passage proportionnel de l'appel. En conséquence, le sous-dimensionnement du transformateur peut être toléré dans le cas d'une opération de générateur.
Le travail triphasé en général est là où une unité spécialement conçue l'emporte généralement. Subian fabrique des transformateurs triphasés pour exactement les cas où un delta ouvert de deux petits unités buck-boost cesse d'être la réponse sensée — lorsque la charge est déséquilibrée, lorsque la correction dépasse 20%, ou lorsque vous avez besoin d'un neutre qui suit correctement.
Comment les transformateurs buck-boost diffèrent des autres transformateurs
| Propriété | Buck-boost / autotransformateur | Transformateur d'isolement | Transformateur de distribution |
|---|---|---|---|
| Relation de bobinage | Partagé (autotransformateur) | Primaire et secondaire séparés | Primaire et secondaire séparés |
| Changement de tension typique | 5–20% | N'importe quel rapport | N'importe quel rapport, fixe |
| kVA pour une charge donnée | Petite fraction de la charge kVA | Égal à la charge kVA | Égal à la charge kVA |
| Isolation galvanique | Aucun | Oui | Oui |
| Gestion du neutre | Ne crée pas un nouveau neutre | Peut créer un système dérivé séparément | Peut créer un système dérivé séparément |
| Atténuation harmonique | Aucun | Certains | Certains |
| Plage de taille typique | 0,05–10 kVA monophasé | 0,5 kVA à plusieurs centaines de kVA | 15 kVA à 10 MVA+ |
| Coût typique | $80–$2,500 | $400–$15,000 | $2,000–$200,000 |
Ce qui fait la différence en termes de fonctionnalité est le neutre. Le transformateur buck-boost ne fournit pas un nouveau neutre et ne crée pas un système dérivé séparément. Ce transformateur ne modifie que la tension du système existant. Pendant ce temps, le transformateur de distribution génère un tout nouveau système, qui a également son propre point de mise à la terre et de liaison. Si vous avez besoin d'un système delta de 480 V converti en un système 208Y/120 V avec un neutre approprié, vous avez besoin d'un transformateur de distribution — la physique de comment les transformateurs de distribution sont construits et où ils se situent sur le réseau est un exercice de conception complètement différent.
Mettons cela simplement : l'isolation est vitale lorsqu'elle est nécessaire. Un transformateur buck-boost ne prévient pas les perturbations du côté primaire d'atteindre la charge et ne réduit pas le courant de défaut ni n'aide à interrompre une boucle de terre. Si votre achat est motivé par l'un des problèmes liés au bruit, aux surtensions ou aux boucles de terre et non par un déséquilibre de tension, vous êtes au mauvais endroit.
Les inconvénients que vous devez connaître avant d'acheter
Les transformateurs buck-boost font un travail spécifique très bien. Les problèmes surviennent lorsque ces dispositifs sont utilisés pour autre chose que ce travail spécifique.
- Sans isolation, la containment des défauts est perdue. Étant donné que les enroulements sont en commun, un court-circuit de chaque côté peut appliquer la tension primaire à la charge. Cela explique pourquoi les autotransformateurs ne sont pas utilisés dans certaines situations et que les transformateurs buck-boost ne sont pas appropriés pour fournir de l'énergie au personnel et à l'équipement sensible à moins qu'un niveau de protection supplémentaire ne soit employé.
- Problèmes associés à un neutre ouvert dans les systèmes à quatre fils. C'est un gros problème. Lorsque les transformateurs buck-boost sont utilisés dans un système triphasé à quatre fils et que le neutre se desserre du côté d'entrée, la tension se redistribuera, et le secondaire verra une augmentation de tension au-dessus de la normale. Un équipement conçu pour 230 V peut être détruit par 300 V de cette manière. Si les transformateurs buck-boost sont connectés à un système en étoile, la neutralité sera un problème de sécurité important au lieu d'un détail mineur.
- Exigences du NEC concernant les circuits de dérivation et les alimentations. Le NEC 450.4 exige que les transformateurs aient une protection contre les surintensités, et cela s'applique aux autotransformateurs. L'Article 210.9 et 215.11 fournissent des exigences uniques concernant l'utilisation des autotransformateurs dans les circuits de dérivation et les alimentations. L'impact pratique est qu'une installation buck-boost nécessite un schéma de protection conçu, pas improvisé — la même discipline qui empêche les transformateurs de tomber en panne prématurément. applies here, and voltage correction gear is more sensitive to it than most, because the fault window is small and the consequences are immediate.
- It should be remembered that outside the 20% range of correction, kVA multiplier falls off and the economy turns upside down. It means that if you want to boost 208 volts to 277 volts (33% correction), you end up with a multiplier of 4.6 which means that a small load will need surprisingly big equipment, at the moment when utilizing an isolation transformer becomes a safer and cheaper option.
- Inability to convert frequency. There is a significant difference: a machine operating at 50 Hz and supplied with 60 Hz from North America requires a frequency converter, not a transformer. In other words, customers purchase buck-boost devices to solve the problems with imported machines only to find out that the transformer could be effective only in half of the cases.
- Heat and derating. These units are usually built to withstand Class H conditions (180°C) with maximum temperature rise of 115°C. If you put the unit in the ceiling plenum without any ventilation, you will reduce its service life.
- Availability of devices. Units are available at starting point of approximately 0.05 kVA up to 10 kVA for single-phase applications. If any deviations from standard sizes appear, waiting times will exceed normal limits.
Where Buck and Boost Transformers Actually Get Installed
The list of applications is brief and very precise. If you do not find the issue you wish to solve on it, you should seek other sources.
| Application | Why buck-boost fits | Taille typique |
|---|---|---|
| Rooftop HVAC on 208 V system | Unit nameplate 230 V, supply is 208 V | 1–3 kVA |
| Motor nameplate matching | 480 V supply, 460 V nameplate | 0.5–5 kVA |
| European machinery on 600 V or 480 V supply | 380–400 V imported equipment | 3–10 kVA |
| Lighting and controls voltage trim | Long feeder with chronic low voltage | 0.5–2 kVA |
| Small 3-phase loads needing 480 V | Boosting 240 V up to 480 V | Two units, open delta |
| Solar inverter output matching | Trimming inverter output to the point of interconnection | Spécifique au projet |
One should note the omissions in the list: any case of using a new neutral, that of insulating the current system, any deviation requiring more than one per cent of correction, and lastly, cases with unbalanced three-phase load.
What Buck-Boost Transformers Cost
The rates shown below are the usual trade rates for single-phase units in the US and the EU, open or closed, and are influenced by the developments concerning copper and steel and are expected to change depending on the timing of purchase.
| Puissance | Prix typique | Utilisation courante |
|---|---|---|
| 0.05–0.25 kVA | $60–$120 | Controls, small lighting circuits |
| 0.5 kVA | $90–$180 | Single motor trim |
| 1 kVA | $150–$280 | Up to ~9.5 kVA load at 208→230 V boost |
| 2 kVA | $250–$450 | Small HVAC, pumps |
| 3 kVA | $350–$600 | Rooftop units, small machinery |
| 5 kVA | $500–$900 | Larger HVAC, imported equipment |
| 7.5–10 kVA | $900–$2,500 | Heavy single-phase loads |
If one compares the two devices, the difference in terms of the respective expenses involved becomes apparent: A 9.58 kVA isolation transformer or distribution transformer is priced at several thousand dollars and weighs more than a hundred pounds, while a 1 kVA buck-boost transformer doing the same job only costs less than $300 and can be moved by one person.For the wider spread across transformer classes, how much an electrical transformer costs breaks it out by type and rating, and the pattern is consistent: the more isolation and the larger the correction, the steeper the curve.
FAQ
What are the downsides of a buck-boost converter?
There are four real drawbacks. First of all, there is no isolation between primary and secondary, which exposes the load to the primary voltage in case of short circuit. Second, the range of correction is limited — it is around 5%-20% and efficiency drops outside of it. Thirdly, and the most critical, in a three-phase four-wire system an open primary neutral leads to voltage rise on the secondary, which can damage equipment connected to it. Therefore, the neutral connection needs to be considered as important! Finally, buck-boost cannot change the frequency and create a new neutral or separately derived system. In other words, it cannot convert 50 Hz to 60 Hz or generate 120 V from 480 V delta feed. If you meant a DC-DC buck-boost converter, like the ones used in power electronics, the situation is quite different since now we deal with switching losses and EMI instead of transformer issues.
When to use a buck-boost transformer?
One should apply this in an occurrence of all three of the following situations: the voltage mismatch is not significant (less than 20%), the load itself does not demand isolation form the supply, and the required correction does not involve creating a new system. A textbook example would be a load rated at 230 V working on a supply of 208 V, or motors rated at 460 V operating on a 480 V system. Another application could be fixing a chronic case of low voltage due to a long feeder, but don’t do this where a new neutral needs to be made, where isolation is needed, when frequency conversion is necessary, or when the load is a sensitive electronic system which has its own conditioning issues.
What is the difference between buck and boost transformers?
The difference in wiring is not due to the product difference. The transformer is called as “boost” when the secondary is connected in synchrony with the primary making a sum of voltages, and “buck” when the secondary is attached in a way of cancelling out the voltage. The transformer having primary of 120 × 240 V and secondary of 12/24 V will be 208 V to 232 V booster in case of one installation order but will become 240 V to 216 V bucker in the opposite case. Manufacturers give the same designation in one catalogue for both options so the responsibility for the type of usage lies on the installer as he defines it. It is even possible to reuse the same machine in the future because it will not change at all.
What is a buck-boost transformer for 120 to 240 volts?
There is no such thing as a buck-boost transformer that converts 120 volts to 240 volts. If someone tells you different, that person is trying to sell you something. A buck-boost transformer only gives you a 5% to 20% change in regulation, while converting 120 volts to 240 volts is a 100% delta requiring a 2:1 isolation transformer, an autotransformer with a 1:1 approximation on top, or a dedicated step-up transformer. When people search for this, they either want a transformer that works with a primary voltage rating of 120 V and a secondary voltage rating of 12 V or 24 V that is used for making small corrections, or they need to use a 240 V device with only 120 volts of supply voltage and need to do a step-up transformation. To solve the last issue, ensure you select a transformer with an actual 1:2 ratio and verify the grounding and neutral connections of the load being supplied.
Références
- NFPA 70 — National Electrical Code, Article 450 (Transformers and Transformer Vaults), 210.9 and 215.11
- UL Solutions — UL 506 Standard for Specialty Transformers
- NEMA — Transformers, Regulators and Reactors Standards
- IEEE — C57 Series Standards for Transformers and Regulators
- U.S. Department of Energy — Motor Voltage Tolerance and Efficiency Guidance
- Acme Electric — Buck-Boost Transformer Application and Selection Data
- Eaton — Transformer and Voltage Correction Technical Documentation
Conclusion
A buck-boost transformer designates equipment dealing with voltage corrections rather than being a transformer in the full understanding of the term. It solves voltage problems by correcting it by 5%-20% with the help of equipment costing much cheaper and smaller than an isolation transformer. The kw rating of this transformer corresponds to 9.58kVA for a transformer rated 1kVA, despite the situation being that the buck-boost transformer is manufacturing in compliance with the same standards used for proving that the constant voltage increase by 33% does not make sense.
When speaking about the advantages of using a buck-boost transformer, it should be added that there are three major groups of issues that have to be taken into account. First of all, one has to ensure that a right size of the end user’s device is chosen and the relevant factor is verified, as even minor miscalculations related to loading can lead to several serious problems. Secondly, while operating on 3-phase supply connection, the neutral point of the initial circuit should be treated appropriately, so that the connection would be safe for equipment.Last but not least, when making a choice, honesty has to become the major factor.