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. s'applique ici, et l'équipement de correction de tension est plus sensible à cela que la plupart, car la fenêtre de défaut est petite et les conséquences sont immédiates.
- Il convient de rappeler qu'en dehors de la plage de correction 20%, le multiplicateur kVA diminue et l'économie se renverse. Cela signifie que si vous souhaitez augmenter 208 volts à 277 volts (correction 33%), vous vous retrouvez avec un multiplicateur de 4,6, ce qui signifie qu'une petite charge nécessitera un équipement étonnamment grand, au moment où l'utilisation d'un transformateur d'isolement devient une option plus sûre et moins coûteuse.
- Incapacité à convertir la fréquence. Il y a une différence significative : une machine fonctionnant à 50 Hz et alimentée par 60 Hz en provenance d'Amérique du Nord nécessite un convertisseur de fréquence, pas un transformateur. En d'autres termes, les clients achètent des dispositifs buck-boost pour résoudre les problèmes avec des machines importées, seulement pour découvrir que le transformateur pourrait être efficace seulement dans la moitié des cas.
- Chaleur et réduction de puissance. Ces unités sont généralement construites pour résister aux conditions de Classe H (180°C) avec une élévation de température maximale de 115°C. Si vous placez l'unité dans le plénum du plafond sans ventilation, vous réduirez sa durée de vie.
- Disponibilité des dispositifs. Les unités sont disponibles à un point de départ d'environ 0,05 kVA jusqu'à 10 kVA pour des applications monophasées. Si des écarts par rapport aux tailles standard apparaissent, les délais d'attente dépasseront les limites normales.
Où les transformateurs Buck et Boost sont réellement installés
La liste des applications est brève et très précise. Si vous ne trouvez pas le problème que vous souhaitez résoudre, vous devriez chercher d'autres sources.
| Application | Pourquoi le buck-boost convient | Taille typique |
|---|---|---|
| HVAC sur toit sur système 208 V | Plaque signalétique de l'unité 230 V, l'alimentation est de 208 V | 1–3 kVA |
| Correspondance de plaque signalétique de moteur | Alimentation 480 V, plaque signalétique 460 V | 5–5 kVA |
| Machines européennes sur alimentation 600 V ou 480 V | Équipement importé 380–400 V | 3–10 kVA |
| Ajustement de tension d'éclairage et de contrôle | Long câble d'alimentation avec tension basse chronique | 5–2 kVA |
| Petites charges triphasées nécessitant 480 V | Augmentation de 240 V à 480 V | Deux unités, delta ouvert |
| Correspondance de sortie d'onduleur solaire | Ajustement de la sortie de l'onduleur au point de connexion | Spécifique au projet |
Il convient de noter les omissions dans la liste : tout cas d'utilisation d'un nouveau neutre, celui d'isoler le système actuel, tout écart nécessitant plus d'un pour cent de correction, et enfin, les cas avec charge triphasée déséquilibrée.
Quel est le coût des transformateurs Buck-Boost
Les tarifs indiqués ci-dessous sont les tarifs commerciaux habituels pour les unités monophasées aux États-Unis et dans l'UE, ouverts ou fermés, et sont influencés par les évolutions concernant le cuivre et l'acier et devraient changer en fonction du moment de l'achat.
| Puissance | Prix typique | Utilisation courante |
|---|---|---|
| 05–0.25 kVA | $60–$120 | Contrôles, petits circuits d'éclairage |
| 5 kVA | $90–$180 | Ajustement d'un moteur unique |
| 1 kVA | $150–$280 | Charge allant jusqu'à ~9.5 kVA à 208→230 V d'augmentation |
| 2 kVA | $250–$450 | Petit HVAC, pompes |
| 3 kVA | $350–$600 | Unités sur toit, petites machines |
| 5 kVA | $500–$900 | HVAC plus grand, équipement importé |
| 5–10 kVA | $900–$2,500 | Charges lourdes monophasées |
Si l'on compare les deux appareils, la différence en termes de dépenses respectives devient évidente : un transformateur d'isolement ou transformateur de distribution de 9,58 kVA coûte plusieurs milliers de dollars et pèse plus de cent livres, tandis qu'un transformateur buck-boost de 1 kVA effectuant le même travail ne coûte que moins de $300 et peut être déplacé par une personne. Pour la répartition plus large entre les classes de transformateurs, combien coûte un transformateur électrique le décompose par type et par puissance, et le schéma est cohérent : plus l'isolement est important et plus la correction est grande, plus la courbe est raide.
FAQ
Quels sont les inconvénients d'un convertisseur buck-boost ?
Il y a quatre véritables inconvénients. Tout d'abord, il n'y a pas d'isolement entre le primaire et le secondaire, ce qui expose la charge à la tension primaire en cas de court-circuit. Deuxièmement, la plage de correction est limitée — elle est d'environ 5%-20% et l'efficacité diminue en dehors de celle-ci. Troisièmement, et c'est le plus critique, dans un système triphasé à quatre fils, un neutre primaire ouvert entraîne une élévation de la tension sur le secondaire, ce qui peut endommager l'équipement qui y est connecté. Par conséquent, la connexion neutre doit être considérée comme importante ! Enfin, le buck-boost ne peut pas changer la fréquence et créer un nouveau neutre ou un système dérivé séparément. En d'autres termes, il ne peut pas convertir 50 Hz en 60 Hz ou générer 120 V à partir d'une alimentation de 480 V en delta. Si vous parliez d'un convertisseur buck-boost DC-DC, comme ceux utilisés dans l'électronique de puissance, la situation est tout à fait différente car nous traitons maintenant des pertes de commutation et des EMI au lieu de problèmes de transformateur.
Quand utiliser un transformateur buck-boost ?
On devrait l'appliquer dans l'une des trois situations suivantes : le décalage de tension n'est pas significatif (moins de 20%), la charge elle-même ne nécessite pas d'isolement par rapport à l'alimentation, et la correction requise n'implique pas de création d'un nouveau système. Un exemple classique serait une charge évaluée à 230 V fonctionnant sur une alimentation de 208 V, ou des moteurs évalués à 460 V fonctionnant sur un système de 480 V. Une autre application pourrait être de corriger un cas chronique de basse tension dû à un long câble d'alimentation, mais ne le faites pas là où un nouveau neutre doit être créé, où l'isolement est nécessaire, lorsque la conversion de fréquence est nécessaire, ou lorsque la charge est un système électronique sensible ayant ses propres problèmes de conditionnement.
Quelle est la différence entre les transformateurs buck et boost ?
La différence dans le câblage n'est pas due à la différence de produit. Le transformateur est appelé “ boost ” lorsque le secondaire est connecté en synchronisation avec le primaire, faisant une somme de tensions, et “ buck ” lorsque le secondaire est attaché de manière à annuler la tension. Le transformateur ayant un primaire de 120 × 240 V et un secondaire de 12/24 V sera un booster de 208 V à 232 V dans le cas d'une commande d'installation, mais deviendra un bucker de 240 V à 216 V dans le cas inverse. Les fabricants donnent la même désignation dans un catalogue pour les deux options, donc la responsabilité du type d'utilisation incombe à l'installateur, car c'est lui qui le définit. Il est même possible de réutiliser la même machine à l'avenir car elle ne changera pas du tout.
Qu'est-ce qu'un transformateur buck-boost pour 120 à 240 volts ?
Il n'existe pas de transformateur buck-boost qui convertit 120 volts en 240 volts. Si quelqu'un vous dit le contraire, cette personne essaie de vous vendre quelque chose. Un transformateur buck-boost ne vous donne qu'un changement de régulation de 5% à 20%, tandis que la conversion de 120 volts à 240 volts est un delta de 100% nécessitant un transformateur d'isolement 2:1, un autotransformateur avec une approximation 1:1 en plus, ou un transformateur élévateur dédié. Lorsque les gens recherchent cela, ils veulent soit un transformateur qui fonctionne avec une tension primaire de 120 V et une tension secondaire de 12 V ou 24 V utilisé pour faire de petites corrections, soit ils ont besoin d'utiliser un appareil de 240 V avec seulement 120 volts de tension d'alimentation et doivent effectuer une transformation élévatrice. Pour résoudre ce dernier problème, assurez-vous de sélectionner un transformateur avec un rapport réel de 1:2 et vérifiez les connexions de mise à la terre et de neutre de la charge alimentée.
Références
- NFPA 70 — Code Électrique National, Article 450 (Transformateurs et Salles de Transformateurs), 210.9 et 215.11
- UL Solutions — Norme UL 506 pour Transformateurs Spécialisés
- NEMA — Normes pour Transformateurs, Régulateurs et Réacteurs
- IEEE — Normes de la Série C57 pour Transformateurs et Régulateurs
- U.S. Department of Energy — Tolérance de Tension des Moteurs et Directives d'Efficacité
- Acme Electric — Données d'Application et de Sélection de Transformateur Buck-Boost
- Eaton — Documentation Technique sur Transformateurs et Correction de Tension
Conclusion
Un transformateur buck-boost désigne un équipement traitant des corrections de tension plutôt que d'être un transformateur au sens plein du terme. Il résout les problèmes de tension en les corrigeant de 5% à 20% avec l'aide d'équipements coûtant beaucoup moins cher et plus petits qu'un transformateur d'isolement. La puissance en kW de ce transformateur correspond à 9,58 kVA pour un transformateur de 1 kVA, malgré le fait que le transformateur buck-boost soit fabriqué conformément aux mêmes normes utilisées pour prouver que l'augmentation de tension constante de 33% n'a pas de sens.
Lorsqu'on parle des avantages d'utiliser un transformateur buck-boost, il convient d'ajouter qu'il existe trois grands groupes de problèmes à prendre en compte. Tout d'abord, il faut s'assurer que la bonne taille de l'appareil de l'utilisateur final est choisie et que le facteur pertinent est vérifié, car même de légères erreurs de calcul liées à la charge peuvent entraîner plusieurs problèmes graves. Deuxièmement, lors de l'exploitation sur une connexion d'alimentation triphasée, le point neutre du circuit initial doit être traité de manière appropriée, afin que la connexion soit sûre pour l'équipement. Enfin, mais non des moindres, lors du choix, l'honnêteté doit devenir le facteur principal.