A propos des Variacs

[electroremy]

Bonjour,

Je vais vous parler d’un composant ancien, mais toujours utile : le variac

De nos jours, les alimentations à découpage et les variateurs de vitesse sont très performants et permettent efficacement de réaliser une alimentation variable avec un rendement élevé. Mais ce n’était pas le cas au début de l’histoire de l’électronique et de l’électricité.
Les rhéostats et alimentations linéaires ont un rendement médiocre et sont inadaptés dès qu’il faut fournir une puissance importante.
Une solution élégante fut de modifier un transformateur pour munir le secondaire d’un curseur permettant de prélever de 0 à 100 % de la tension.

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La même modification peut être faite sur un autotransformateur, avec un seul bobinage ; il faut alors renoncer à l’isolation galvanique, car le primaire et le secondaire ne sont plus séparés :

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On remarque qu’une des connexions fixes n’est pas connectée à l’extrémité de l’enroulement. Cela permet au curseur, en allant au-delà, de délivrer une tension supérieure à celle de l’alimentation. On peut ainsi avoir un variac basé sur un autotransformateur qui délivre une tension allant de 0 à 300V à partir d’une alimentation 230V.

Concrètement, les variacs sont souvent toriques, leur aspect mécanique ressemble à un gros potentiomètre :

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Bien sûr, comme tout transformateur, un variac ne fonctionne qu’en alternatif.

Un variac ne change que la tension, la fréquence reste la même.
Un variac peut être utilisé pour :
- varier la puissance d’une charge résistive (ampoules à incandescences, résistances de chauffage)
- varier la vitesse d’un moteur « universel », qui n’est rien d’autre qu’un moteur à courant continu ; ce type de moteur équipe la plupart des outils électroportatifs (meuleuses, perceuses…)

Un variac ne peut pas être utilisé pour faire varier la vitesse des moteurs asynchrones.
Les variacs sont lourds et chers, ils ont été remplacés avantageusement par des variateurs à triacs et des variateurs de fréquence.
Cependant, ils restent utiles. Leur principal avantage est de délivrer une tension de sortie quasi sinusoïdale, sans harmoniques, contrairement aux variateurs à triac.
Contrairement à une alimentation à découpage ou un variateur, un variac ne génère pas de parasites. Cela peut se révéler fort utile dans certaines situations (éclairage de scène dans une salle avec matériel de sonorisation sensible).
Un variac permet d’alimenter sans danger d’anciens appareils conçus pour une tension de 110V, 120V, 220V…
Il permet aussi et surtout de « réveiller » progressivement d’anciens postes radio et matériels hifis à tubes, en augmentant la tension d’alimentation par paliers.
Un variac est toujours utile dans un labo, il permet par exemple de tester une alimentation ou un onduleur en simulant des chutes de tension ou des surtensions.

Je possède un petit variac dont le courant de sortie maximum est de 0,8 ampère. J’en avais besoin d’un plus puissant, je me suis acheté un modèle 5KVA made in China pour à peine plus de 100 euros :

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Je n’ai pas besoin d’aller au-delà de 16A, ce qui fait 4KVA sous 250 V. Je ne l’utiliserai pas à plus de 80 % de sa puissance maximale ce qui offre une marge de sécurité et une meilleure longévité.

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[electroremy]

J’ai apporté quelques modifications, car les finitions laissaient à désirer :
- remplacement du vumètre à aiguille d’une précision médiocre par un modèle numérique ;
- remplacement des bornes par des prises de courant ;
- mise à la terre des différentes parties du châssis et des poignées ;
- isolation des parties sur lesquelles frotte le fil relié au curseur ;
- mise en place de contre écrous sur différents éléments de fixation ;
- raccourcissement de la tige de manœuvre qui était trop haute et mal ajustée.
Bien sûr, le variac fonctionnant avec la tension du secteur, toutes les précautions doivent être prises pour le câblage, les tests et les mesures ! La tension du secteur est mortelle ! Voici le résultat :

Article5.jpg

Horreur : à la mise sous tension dans mon labo, deux fois sur trois ça disjoncte dans mon tableau électrique.

Vite, je débranche tout et sors mes instruments de mesure pour vérifier mon câblage et les enroulements. Les mesures d’isolement sont très bonnes, aucun court-circuit…

Je me suis alors souvenu qu’un transformateur de cette puissance pouvait avoir un courant de démarrage non négligeable… J’ai décidé de le mesurer, en prenant les précautions nécessaires (oscilloscope alimenté depuis un transformateur d’isolement, shunt de mesure de courant côté neutre)

La mesure parle d’elle-même :

Article6.jpg

Une pointe à 40V dans un shunt de 0,18 Ohm : le pic de courant à l’allumage est de plus de 220 ampères !
Il faut remarque que la pointe de courant n’a pas toujours la même valeur. Tout dépend du moment où on raccorde le transformateur… En effet, à la mise sous tension d’un transformateur, la surintensité transitoire d’enclenchement est due à la magnétisation du circuit magnétique. L’asymétrie et la valeur crête du courant sont maximales lorsque l’enclenchement est effectué au passage à zéro de la tension et lorsque l’induction rémanente atteint sa valeur la plus élevée.
Comment faire pour limiter ce courant ?
Des varistances CTN, composants dont la résistance chute lorsque la température augmente, sont couramment utilisées. À température ambiante, ces composants ont une valeur de résistance relativement élevée, par exemple 5 Ohms.
Mon variac à l’allumage se comporte comme une résistance d’environ 1 Ohm (220 Ampères pour 230V). Si je mets en série une CTN avec l’alimentation du variac, au démarrage le courant sera de 230V / (1 Ohm + 5 Ohm) = 38 ampères. Cette valeur est bien plus faible que 220 ampères, et elle est parfaitement tolérée par un disjoncteur 16A si elle ne dure pas trop longtemps bien sûr.
La mesure le prouve (attention l’échelle n’est plus la même, 2V par div au lieu de 10V par div) :

Article7.jpg

La mesure montre un courant de démarrage d’environ 40 A.
Mais ensuite, cette résistance de 5 Ohms ne va-t-elle pas perturber l’alimentation en occasionnant une chute de tension importante ? 10 ampères dans 5 Ohms occasionnent 50V de chute de tension… impensable !
C’est vrai, mais pendant un temps assez bref, car la CTN va chauffer. En chauffant, sa résistance va rapidement diminuer. Si la résistance diminue, la chute de tension aussi, et la CTN arrête de chauffer. Ainsi, au bout de quelques secondes, la température de la CTN va se stabiliser.
Plus je consomme de courant, plus la température d’équilibre de CTN sera élevée, plus sa résistance sera faible, et la chute de tension restera faible. La CTN fonctionne alors comme un régulateur.
Attention les CTN peuvent être très chaudes ; celles que j’ai achetées montent à 200 °C lorsqu’elles sont parcourues par leur courant nominal maximum. Le circuit imprimé et le coffret doivent être conçus en conséquence.

Le problème est-il résolu ?

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[electroremy]

Le problème est-il résolu ?

Pas tout à fait… que se passe-t-il si j’éteins et si je rallume le variac ?

Il faut que la CTN puisse avoir le temps de refroidir pour qu’elle puisse limiter à nouveau le courant de démarrage. Et une CTN peut mettre 2 minutes voire plus avant de se refroidir…
En cas de microcoupure secteur, c’est la catastrophe.

Il faudrait trouver un autre système.
L’idée est de shunter la CTN après le démarrage pour qu’elle se refroidisse et soit prête à un nouveau démarrage.
Mais comment faire ? Il faut une temporisation à la fermeture, mais pas à l’ouverture. Bref, il faut créer un circuit de mise sous tension, alors que je voudrais un dispositif le plus simple possible. Après quelques réflexions, voici à quoi je suis arrivé :



Un contacteur shunte la CTN automatiquement après la mise en route.
Un contacteur ne se déclenche que lorsque la tension aux bornes de sa bibine atteint au moins 60 % de la valeur nominale. Et il faut ajouter un temps de réaction de quelques millisecondes.
Comme la bobine du contacteur est en parallèle avec le variac, le contacteur ne va se fermer que lorsque la tension aux bornes du variac sera assez importante ; autrement dit, lorsque la chute de tension dans la CTN sera faible, ce qui se produit à la fin du pic de surintensité. Le temps de réaction du contacteur est un avantage.
Ainsi, le contacteur ne se ferme que lorsque la surintensité est terminée.
La CTN n’a pas le temps de chauffer et elle est prête pour un nouvel allumage.
En cas de coupure de l’alimentation, même brève, le contacteur s’ouvre.
On pourrait même remplacer la CTN par une simple résistance de puissance.
Cependant, la CTN offre un avantage : en cas de défaillance du contacteur, elle ne surchauffera pas contrairement à la résistance.
Attention : ce circuit ne limitera pas la surtension si on coupe et si on rallume le variac à l’aide de son interrupteur intégré. Il faut installer l’interrupteur marche / arrêt en amont, côté alimentation.

La suite au prochain message, avec une réalisation pratique...

[electroremy]

Je me suis donc lancé dans la fabrication d’un boitier de démarrage pour mon variac. Ce boitier de démarrage étant indépendant il pourra servir à l’occasion pour autre chose, par exemple un gros moteur.

Article9.jpg

J’ai utilisé deux CTN de 5 Ohms en série ; le courant de démarrage est limité à environ 25 A.
Attention les CTN doivent être choisies en fonction de l’énergie qu’elles peuvent absorber en joules ; les sites internet des fabricants donnent des abaques de calcul en fonction de l’application (moteur, alimentation, transformateur…)
J’ai ajouté à mon boitier de démarrage quelques fonctions utiles :
- un interrupteur sectionneur, qui coupe la phase et le neutre ; en effet mon variac est un autotransformateur variable donc son primaire et son secondaire ne sont pas isolées galvaniquement ;
- un voyant sous tension ;
- un voyant témoignant de la fermeture du contacteur ;
- un interrupteur en série avec la bobine du contacteur, qui permet de ne pas shunter les CTN, ça peut être utile dans certains cas.
Voici une photo du fameux démarreur :

Article10.jpg

Le câble d’alimentation et les fils véhiculant la puissance ont une section de 2,5 mm². Le câble d’alimentation est assez long ce qui permet d’éviter d’utiliser une rallonge ; en effet les rallonges du commerce sont souvent de faible section (1,5 mm² ou 1 mm²).
Les fils placés dans les mêmes bornes ont été soudés ensemble. Les fils souples ont été étamés aux extrémités.
Les CTN sont maintenues en l’air, car elles peuvent chauffer beaucoup si la fonction shunt n’est pas activée ; la face arrière du coffret comporte deux rangées de trous d’aération.
Voici une photo de mon démarreur et du variac :

Article11.jpg

Mesures au prochain message...

[A voir en vidéo sur Futura]

[electroremy]

Voici une mesure faite avec mon démarreur. On voit une pointe à 4,8V dans un shunt de 0,18 Ohm : le pic de courant à l’allumage est de 26,7 A :

Article12.jpg

Sur cette autre mesure on peut voir clairement les rebonds liés à la fermeture de l’interrupteur/sectionneur et les rebonds liés à la fermeture du contacteur :

Article13.jpg

Voyons ce que ça donne avec et sans le contacteur…

Article14.jpg

On voit que l’action du contacteur fait cesser la limitation d’intensité, mais cela reste raisonnable : avec le contacteur, le deuxième pic est de 5A, tandis que sans le contacteur, le deuxième pic est de 2,7A

La fin au prochain message...

[electroremy]

Il me reste à apporter la touche finale à mon variac.

L’étiquette en alu est mal faite : précision médiocre, petites graduations de 6V en 6V peu pratiques et mal ajustées :

Article15.jpg

J’ai donc refait une étiquette avec mon ordinateur et mon imprimante.
L’étiquette est graduée en pourcentage, avec une zone verte, jaune et rouge.
On ne peut pas graduer sérieusement un variac en volts car la tension de sortie dépend de la tension d’entrée… selon l’endroit où vous habitez et l’heure de la journée, la tension aux bornes de vos prises de courant peut aller de 220V à 250V.
La zone verte permet de ne pas suralimenter un appareil prévu pour le 115V.
La zone jaune permet de ne pas suralimenter un appareil prévu pour le 230V.

Article16.jpg

Et voilà, deux appareils utiles de plus dans mon labo.

Mon variac et mon démarreur sont des équipements « rustiques » qui dureront des années s’ils ne sont pas maltraités.

Connaissez vous ces variacs ? Si oui, en avez vous déjà utilisé un ?

[electroremy]

Si un modérateur passe ici : comment faire pour que mes images s'affichent directement lorsqu'il y en a plus d'une par message ?

Merci

[gienas]

Bonsoir electroremy et tout le groupe

Si un modérateur passe ici : comment faire pour que mes images s'affichent directement lorsqu'il y en a plus d'une par message? ...

C'est impossible.

Si l'image est seule, elle prend systématiquement le grand format.

A partir de deux et jusqu'à cinq, la réponse montre des vignettes sur lesquelles il faut cliquer pour les avoir en grand.

[electroremy]

Si l'image est seule, elle prend systématiquement le grand format.

A partir de deux et jusqu'à cinq, la réponse montre des vignettes sur lesquelles il faut cliquer pour les avoir en grand.

C'est fort dommage, surtout sur un forum d'électronique où on doit illustrer les messages avec des schémas et des photos

Peut être une suggestion d'amélioration du forum ? Il ne doit pas y avoir grand chose à modifier, et aujourd'hui tous les PC même ancien ont des écrans full HD

A vientôt