Un autotransformateur est un type de électrique transformateur qui utilise un seul enroulement continu pour transférer l'énergie électrique entre les circuits. Contrairement à un transformateur classique doté de bobines primaire et secondaire distinctes, l'autotransformateur partage une partie du même enroulement pour l'entrée et la sortie. Cette conception le rend plus compact, plus léger et plus efficace pour les applications où l'isolation électrique entre les circuits n'est pas nécessaire.
Que vous en rencontriez un dans un poste de transport d'électricité, dans un tableau de démarrage de moteurs ou dans une alimentation CA variable de laboratoire, l'autotransformateur est l'un des types de transformateurs les plus pratiques et les plus répandus en génie électrique. Ce guide explique son fonctionnement, les différents types existants, ses différences par rapport aux transformateurs classiques et sa place dans les systèmes réels.
Un autotransformateur est un transformateur doté d'un seul enroulement enroulé autour d'un noyau magnétique laminé. Le terme “ auto ” vient du mot grec signifiant “ soi-même ” : l'enroulement unique agit sur lui-même plutôt que de reposer sur deux bobines distinctes. L'enroulement comporte au moins trois bornes : deux bornes d'extrémité et un ou plusieurs points de prise le long de la bobine.
La principale différence réside dans le fait que les circuits primaire et secondaire partagent une partie du même chemin conducteur. Le transfert d'énergie s'effectue à la fois par induction électromagnétique (à travers le noyau) et par conduction électrique directe (à travers la section d'enroulement commune). C'est ce double mécanisme qui confère à l'autotransformateur son rendement et ses avantages en termes de taille.
En l'absence d'isolation galvanique entre l'entrée et la sortie, un autotransformateur ne convient pas à toutes les applications. Cependant, lorsque l'isolation n'est pas nécessaire — et que le rapport de tension se situe dans une plage raisonnable —, il surpasse un transformateur classique à deux enroulements de puissance équivalente en termes de coût, d'encombrement et de rendement.
Le principe de fonctionnement d'un autotransformateur obéit aux mêmes lois électromagnétiques que celui de tout transformateur : un courant alternatif dans l'enroulement génère un flux magnétique variable dans le noyau, ce qui induit une tension aux bornes de l'enroulement proportionnelle au nombre de spires.
Ce qui distingue l'autotransformateur, c'est la manière dont les connexions d'entrée et de sortie sont disposées sur cet enroulement unique. En sélectionnant différents points de prise, un même dispositif physique peut augmenter la tension, la réduire ou fournir une tension de sortie variable.
Imaginons une bobine à simple spire comportant 200 spires, raccordée à une alimentation de 240 V CA. L'ensemble de l'enroulement conduit le courant d'entrée et génère un champ magnétique. Si l'on raccorde une charge sur seulement 100 spires de ce même enroulement, la tension induite sur cette section sera de 120 V, soit la moitié de la tension d'entrée.
La partie de l'enroulement qui transporte à la fois le courant d'entrée et le courant de sortie s'appelle le enroulement commun. La partie restante, qui ne transporte que le courant primaire ou secondaire, est la enroulement en série. Dans une configuration abaisseuse, l'enroulement en série est situé entre la borne d'entrée et le point de prise. Dans une configuration élévatrice, l'enroulement en série s'étend du point de prise jusqu'à l'extrémité opposée de la bobine.
Un autotransformateur peut servir de dispositif élévateur ou abaisseur de tension, selon l'endroit où la tension d'entrée est appliquée et celui où la tension de sortie est prélevée.
| Fonctionnalité | Autotransformateur élévateur | Autotransformateur abaisseur |
|---|---|---|
| Connexion d'entrée | Sur une partie du parcours sinueux | Tout au long du parcours sinueux |
| Connexion de sortie | Tout au long du parcours sinueux | Sur une partie du parcours sinueux |
| Production vs intrants | Vdehors > Vdans | Vdehors < Vdans |
| Taux de rotation | Ndehors / Ndans > 1 | Ndehors / Ndans < 1 |
| Utilisation typique | Élévation de la tension pour le transport | Réduction de la tension pour la distribution ou les équipements |
Le rapport de tension suit la même formule de rapport de spires que celle utilisée pour tous les transformateurs : Vdehors / Vdans = Ndehors / Ndans. La différence réside dans le fait que les deux Vdans et Vdehors partagent une partie du même conducteur physique.
Les autotransformateurs se déclinent en plusieurs configurations, chacune étant optimisée pour une catégorie d'application spécifique. Connaître ces différents types vous aide à choisir l'appareil le mieux adapté à votre besoin.
Un autotransformateur à rapport fixe dispose de prises de dérivation définies de manière permanente qui fournissent une tension de sortie spécifique pour une tension d'entrée donnée. Il s'agit du type le plus courant dans les équipements de conversion de tension. Par exemple, un appareil présentant un rapport de 2:1 convertit une tension d'entrée de 240 V en une tension de sortie de 120 V sans qu'aucun réglage de la part de l'utilisateur ne soit nécessaire.
Les unités à rapport fixe sont largement utilisées dans les machines industrielles, la conversion de tension des appareils électroménagers et les transformateurs de distribution, où le rapport entre l'entrée et la sortie est stable. Elles sont simples, robustes et ne comportent aucune pièce mobile. Pour les projets nécessitant une conversion élévatrice ou abaisseuse compacte avec un rapport inférieur ou égal à 3:1, un autotransformateur à rapport fixe est souvent l'option la plus rentable.
Un autotransformateur variable remplace les prises fixes par un balai de charbon coulissant qui se déplace le long de l'enroulement, permettant ainsi de régler en continu la tension de sortie, de zéro jusqu'à une valeur légèrement supérieure à la tension d'entrée. La marque la plus connue pour ce type de conception est Variac, bien que de nombreux fabricants les commercialisent sous différentes marques.
Les autotransformateurs à tension variable sont indispensables dans les laboratoires d'essais, les centres de R&D, les ateliers de réparation et les établissements d'enseignement, où les équipements doivent être testés sur une large plage de tensions d'entrée. Ils sont également utilisés pour la gradation de l'éclairage, la régulation de chauffage et le réglage de la vitesse des moteurs dans les applications où la distorsion des formes d'onde provoquée par les contrôleurs électroniques est inacceptable.
Pour les réseaux électriques industriels fonctionnant en courant alternatif triphasé, les autotransformateurs peuvent être conçus en configurations triphasées. Ceux-ci utilisent généralement trois autotransformateurs monophasés raccordés en étoile (wye) ou en triangle (delta), ou bien un seul noyau à trois branches avec des enroulements communs.
Les autotransformateurs triphasés sont couramment utilisés pour le démarrage des moteurs, la distribution d'énergie et l'interconnexion entre des réseaux de transport fonctionnant à des niveaux de tension différents — par exemple, pour relier un réseau de 132 kV à un réseau de 66 kV. Leur taille compacte et leur rendement élevé en font des solutions intéressantes pour les applications à forte puissance où le rapport de tension est modeste.
Le choix entre un autotransformateur et un transformateur classique à double enroulement dépend des exigences de votre application en matière d'isolation, de rapport de tension, de tolérance aux défauts et de budget. Le tableau ci-dessous compare ces deux types de transformateurs selon les critères les plus importants.
| Critère | Autotransformateur | Transformateur classique |
|---|---|---|
| Dispositif d'enroulement | Enroulement continu unique | Deux enroulements primaire et secondaire distincts |
| Isolation électrique | Aucun — entrée et sortie reliées électriquement | Isolation galvanique entre les circuits |
| Dimensions et poids | Plus petit et plus léger | Plus grand et plus lourd pour une puissance nominale équivalente |
| Coût | Réduction des coûts des matières premières et de fabrication | Coût plus élevé |
| Efficacité | Plus élevé — généralement 98% ou plus | Moins cher pour la même puissance nominale |
| Rapport de tension pratique | Idéal jusqu'à environ 3:1 | N'importe quel rapport |
| Courant de court-circuit | Impédance plus élevée — plus faible | Une impédance plus faible — une impédance plus élevée limite le courant de défaut |
| Sécurité | Moins sûr — une défaillance de l'enroulement peut exposer la tension de sortie à la tension d'entrée maximale | Plus sûr — circuit secondaire isolé |
Pour en savoir plus sur les différences entre les autotransformateurs et un autre type de transformateur courant, consultez notre Comparaison entre un autotransformateur et un transformateur de commande.
L'utilisation généralisée des autotransformateurs dans les réseaux électriques et les équipements industriels s'explique par plusieurs avantages évidents :
La conception de l'autotransformateur présente également des limites importantes qui déterminent les situations dans lesquelles il ne doit pas être utilisé :
Les autotransformateurs sont présents sur l'ensemble du spectre de tension, de l'électronique grand public aux réseaux de transport à haute tension.
| Domaine d'application | Utilisation typique | Type de transformateur |
|---|---|---|
| Transmission de puissance | Interconnexion de réseaux à des tensions différentes (par exemple, de 220 kV à 132 kV) | À rapport fixe, triphasé |
| Réglementation en matière de distribution | Les autotransformateurs à prise mobile compensent la chute de tension sur la ligne | Rapport fixe avec changeur de prises |
| Démarrage du moteur | Démarrage à tension réduite des grands moteurs à induction (prises 50%, 65%, 80%) | Ratio fixe |
| Conversion de tension | Utilisation d'appareils de 110 V sur un réseau de 220 V, et inversement | À rapport fixe, monophasé |
| Analyses de laboratoire | Alimentation CA variable pour les essais et l'étalonnage des équipements | Variable (Variac) |
| Électrification ferroviaire | Allongement des distances des lignes d'alimentation sur les réseaux de traction à 25 kV CA | Ratio fixe |
| Systèmes audio | Adaptation d'impédance entre la sortie de l'amplificateur et les charges des haut-parleurs | Ratio fixe |
Pour les acheteurs industriels et les distributeurs, autotransformateurs élévateurs et abaisseurs Les séries STU et DT répondent à la plupart des besoins en matière de conversion de tension, de démarrage de moteurs et d'adaptation de la puissance des équipements, et sont certifiées CE et IC.
Un autotransformateur constitue une solution pratique, efficace et économique pour la conversion de tension, le démarrage de moteurs, l'interconnexion de réseaux électriques et les essais en laboratoire — dans tous les cas où l'isolation électrique n'est pas requise. Sa conception à enroulement unique offre un rendement supérieur et un encombrement réduit par rapport à un transformateur classique à double enroulement de même puissance nominale. Pour obtenir de l'aide dans le choix de l'autotransformateur adapté à votre application, Consultez notre guide de sélection ou contactez notre équipe d'ingénieurs pour discuter de vos besoins.
Un autotransformateur utilise un seul enroulement commun à l'entrée et à la sortie, tandis qu'un transformateur classique (conventionnel) comporte deux enroulements électriquement séparés : un primaire et un secondaire. L'autotransformateur est plus compact, moins coûteux et plus efficace, mais il n'assure pas d'isolation électrique. Un transformateur classique assure une isolation galvanique entre les circuits, ce qui le rend plus sûr pour les applications où la sortie doit être isolée électriquement de l'entrée.
Non. Un autotransformateur n'assure pas d'isolation galvanique. Les circuits d'entrée et de sortie sont reliés électriquement par l'intermédiaire de l'enroulement commun. Pour les applications nécessitant une isolation — telles que les appareils médicaux, les circuits de sécurité ou les blocs d'alimentation grand public —, il convient d'utiliser à la place un transformateur classique à double enroulement ou un transformateur d'isolation.
Oui. Un même autotransformateur peut fonctionner dans l'un ou l'autre mode selon la configuration des raccordements d'entrée et de sortie. De nombreux modèles disponibles dans le commerce sont conçus et étiquetés pour fonctionner dans les deux sens. Toutefois, il convient de toujours vérifier les spécifications du fabricant, car certains modèles sont optimisés pour un sens de fonctionnement spécifique.
Concrètement, les autotransformateurs sont les plus rentables pour des rapports de tension allant jusqu'à environ 3:1. Au-delà de cette plage, les économies de matériaux diminuent et l'absence d'isolation électrique devient plus difficile à justifier. Pour les rapports d'élévation ou d'abaissement très élevés, un transformateur classique à deux enroulements constitue le choix standard.
Les autotransformateurs offrent un meilleur rendement car ils utilisent moins de cuivre (I plus faible)2(pertes R) et un noyau magnétique plus petit (pertes par hystérésis et par courants de Foucault réduites) qu’un transformateur à double enroulement de puissance équivalente. De plus, une partie de la puissance est transférée par conduction électrique directe plutôt que par le seul couplage magnétique, ce qui réduit encore davantage les pertes.
« Variac » est le nom commercial d'un autotransformateur variable qui fournit une tension de sortie alternative réglable en continu. Il utilise un bouton rotatif relié à un balai de charbon coulissant qui se déplace le long de la surface exposée de l'enroulement, permettant ainsi à l'utilisateur de régler la tension à n'importe quelle valeur comprise entre zéro et une valeur légèrement supérieure à la tension du réseau. Les Variacs sont largement utilisés dans les laboratoires, les ateliers de réparation et les environnements de tests de production.
Non. Les autotransformateurs, comme tous les transformateurs, fonctionnent selon le principe de l'induction électromagnétique, qui nécessite un champ magnétique variable généré par un courant alternatif. Une tension continue ne produit pas le flux variable nécessaire à l'induction. Pour convertir des tensions continues, il faut utiliser un convertisseur CC-CC ou un dispositif combinant onduleur et redresseur.
