Transformateurs triphasés

Les transformateurs triphasés sont des machines passives qui transmettent l'énergie électrique entre les circuits. Dans le circuit secondaire, un flux magnétique induit une force électromotrice (emf), ce qui permet d'augmenter ou de diminuer la tension sans modifier la fréquence. Il existe différents types de systèmes électriques et les transformateurs doivent donc fonctionner avec des systèmes compatibles. Un transformateur triphasé fonctionne avec un système électrique triphasé AC (courant alternatif) pour fournir aux consommateurs une électricité stable et sûre. En fonction de l'industrie ou de l'application, la taille, la conception, la puissance en voltampères et les capacités de charge du transformateur triphasé diffèrent.

Table des matières

• Qu'est-ce qu'un transformateur triphasé ?
• Qu'est-ce que le système électrique triphasé ?
• Signification de la loi d'induction de Faraday
• Types de transformateurs triphasés
• Constitution d'un transformateur triphasé
• Configurations
• Applications
• FAQ

Qu'est-ce qu'un transformateur triphasé ?

Dans certains transformateurs de redressement à courant continu, les transformateurs de tension peuvent être construits pour une phase unique ou pour deux, trois, six, voire des combinaisons complexes allant jusqu'à 24 phases. Les processus de production, de distribution et de transmission d'électricité peuvent utiliser le triphasé, appelé 3φ ou triphasé. Un transformateur triphasé fonctionne sur une alimentation triphasée et les enroulements primaires et secondaires ont trois jeux d'enroulements.

Qu'est-ce que le système électrique triphasé ?

Les systèmes électriques triphasés et monophasés utilisent le courant alternatif (CA). Le courant alternatif se présente généralement sous la forme d'une onde sinusoïdale, mais d'autres formes d'ondes, telles que les ondes carrées, triangulaires et complexes, peuvent également être générées. Les signaux à courant alternatif ont trois propriétés importantes : l'amplitude, la période et la fréquence. L'amplitude décrit la grandeur de l'onde. La période est la durée d'une oscillation complète, tandis que la fréquence est le nombre de cycles apparaissant par seconde.

Une oscillation CA complète présente à la fois un pic et un creux. Pour le cycle habituel de 360°, ces points se situent à 90° et 270°. Le système monophasé présente un seul pic et un seul creux dans un conducteur, et ces points connaissent des magnitudes maximales mais dans des directions opposées. Les systèmes triphasés, quant à eux, présentent trois pics et trois creux sur trois conducteurs. Les tensions et les courants sont en avance ou en retard de 120° l'un par rapport à l'autre (figure 2).

Signification de la loi d'induction de Faraday

Le fonctionnement de tous les types de transformateurs est soumis à la loi d'induction de Faraday, qui stipule que l'ampleur de la force électromotrice induite dans un circuit est directement proportionnelle à la vitesse de variation du flux magnétique qui traverse le circuit.

Par conséquent, un conducteur placé à proximité d'un champ magnétique changeant - provenant d'un électro-aimant alimenté en courant alternatif, par exemple - produira un courant électrique. Les circuits électromagnétiques de cette nature sont appelés enroulements primaires.

Comme le courant électrique s'effondre et est généré continuellement à une fréquence particulière, le champ magnétique s'effondre et se recrée de la même manière. Ce champ magnétique alternatif induit un courant dans les conducteurs coupés par ce flux ; on parle alors d'enroulements secondaires. La fréquence est la même pour les deux enroulements.

Types de transformateurs triphasés

Les transformateurs triphasés peuvent être classés en fonction de leur construction. Il existe deux types de transformateurs triphasés : le transformateur à noyau, dont les enroulements primaire et secondaire sont enroulés sur un seul noyau, et le transformateur à coquille, qui combine trois transformateurs monophasés.

Core-type

Dans les transformateurs triphasés à noyau, le noyau a trois branches dans le même plan. Chaque branche contient des enroulements primaires et secondaires, et ces enroulements sont répartis de manière égale entre les trois branches. Il n'est pas rare d'entendre parler d'enroulements haute tension (HT) et basse tension (BT).

Comme il est plus facile d'isoler un enroulement à basse tension, ces enroulements sont plus proches du noyau que les enroulements à plus haute tension. Les derniers enroulements s'enroulent autour des premiers, avec un matériau isolant entre eux. Dans cette construction, les enroulements sont magnétiquement liés les uns aux autres, un enroulement utilisant l'autre paire de branches comme voies de retour pour son flux magnétique (voir figure 3).

Type de coquille

Le transformateur triphasé à coquille est constitué de trois transformateurs monophasés distincts. Les champs magnétiques des trois phases de ce transformateur sont pratiquement indépendants, et le noyau de ce transformateur comporte cinq branches.

Les enroulements HT et BT existent autour des trois branches principales. Comme pour le dispositif triphasé à noyau, la bobine basse tension est la plus proche du noyau. Les deux branches les plus extérieures servent de voies de retour pour le flux.

Le flux magnétique se divise en deux lorsque le champ s'approche de la culasse. Il est courant que les membres extérieurs et le joug soient deux fois plus petits que les membres principaux. Vous pouvez réduire la hauteur du transformateur en réduisant la taille de la culasse.

La constitution du transformateur triphasé

Outre le noyau et les enroulements, un transformateur comporte d'autres éléments essentiels, décrits ci-dessous :

• Isolation : Cette partie agit comme une barrière séparant les enroulements du noyau.
• Huile de transformateur : L'huile de transformateur a deux fonctions principales : l'isolation et le refroidissement. Les propriétés isolantes de l'huile empêchent les courts-circuits et les arcs électriques. Cette huile agit comme un réfrigérant en évacuant la chaleur du noyau et des enroulements.
• Thermomètres : Les thermomètres contrôlent la température de l'huile.
• Systèmes de décompression : Les systèmes de décompression font partie du protocole de sécurité. Ils désamorcent les situations de surpression lorsque l'huile clignote en raison de courts-circuits.
• Refroidisseur : Le système de refroidissement refroidit le liquide de refroidissement. Il refroidit l'huile chaude par l'intermédiaire de tubes refroidis à l'eau ou à l'air. Le liquide de refroidissement est ensuite renvoyé vers le noyau et les enroulements.
• Réservoir : Le réservoir protège les enroulements et le noyau du transformateur des conditions extérieures et contient le liquide de refroidissement.
• Conservateur d'huile : Le conservateur d'huile est un récipient installé séparément du réservoir. Il aide à retenir l'huile après qu'elle se soit dilatée sous l'effet de l'échauffement des enroulements et du noyau.
• Régulateurs de tension : Les régulateurs de tension modifient la tension de sortie, qui a tendance à diminuer en cas de charge. La modification des tours de prise à l'aide d'un changeur de prise permet d'ajuster le rapport de tension.
• Relais actionné par le gaz : Les relais à gaz ont un autre nom : le relais Buchholz. Il retient le gaz libéré qui bouillonne dans le réservoir du transformateur, et le fait de voir ce gaz libre indique qu'il y a un problème avec le transformateur.
• Respirateurs : Les reniflards permettent de maintenir l'huile du transformateur au sec. Ces reniflards éliminent l'humidité des poches d'air situées au-dessus du niveau d'huile du restaurateur.

Configurations

Il existe deux types de connexions pour ces machines triphasées : la configuration en étoile et la configuration en triangle.

La configuration en étoile est également appelée connexion en étoile. Il possède quatre bornes mais trois enroulements. Les trois enroulements forment les trois phases du circuit, tandis que la quatrième borne est la borne où les trois autres enroulements se rejoignent ; c'est un point neutre commun.

La connexion delta, également connue sous le nom de connexion maillée, est une interconnexion de trois enroulements dont les extrémités sont connectées, créant ainsi une boucle fermée. Il possède trois bornes et enroulements sans point neutre, utilisant à la place des connexions de mise à la terre. La connexion en triangle est configurée dans les systèmes à branche haute en mettant à la terre le point médian d'une phase, comme le montre la figure 4.

Caractéristiques de tension et de courant

Il y a des avantages et des inconvénients à utiliser des systèmes de câblage de transformateurs triphasés en étoile ou en triangle. Il est essentiel de comprendre les courants et tensions de phase et de ligne pour choisir le bon système pour vos applications.

Les courants et tensions de phase sont mesurés sur un composant, tandis que les paramètres de ligne sont mesurés sur deux terminaux. Le tableau 1 montre les relations entre ces caractéristiques :

Tableau 1 : Caractéristiques de la tension et du courant triphasés

Connexion	Tension de phase	Tension de ligne	Courant de phase	Courant de ligne
Étoile	VP = VL / √3	VL = √3 * VP	IP = IL	IL = IP
Delta	VP = VL	VL = VP	IP = IL / √3	IP = √3 * IL

• VL : tension ligne à ligne (tension de ligne)
• VP : tension phase-neutre (tension de phase)
• IL : courant de ligne
• IP : courant de phase

Outre les tensions et les courants, un calculateur de transformateur triphasé a besoin d'un autre paramètre pour dimensionner correctement le dispositif : le rapport des tours (TR). Un transformateur étant une machine linéaire, les tensions dans les enroulements secondaires peuvent être déterminées à l'aide des tensions primaires et du rapport des spires. C'est le rapport entre les spires des enroulements secondaire et primaire.

Schémas d'enroulement des transformateurs triphasés

Les enroulements primaires et secondaires d'un transformateur triphasé peuvent avoir des configurations différentes ou identiques. Les quatre permutations principales sont les suivantes

Configuration étoile-étoile (Y -Y)

Les bobines primaires et secondaires sont enroulées en étoile. Il présente l'avantage majeur de posséder une borne neutre sur les deux côtés du transformateur, ce qui permet une mise à la terre. La mise à la terre élimine la distorsion de la forme d'onde. Lorsqu'il n'est pas mis à la terre, le fonctionnement de ce type de transformateur est satisfaisant si les trois charges sur les trois phases sont équilibrées. Il est principalement destiné aux petits transformateurs HT.

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

• VS : Tension secondaire
• VP : Tension primaire
• IS : Courant secondaire
• IP : Courant primaire

Cette connexion réduit le nombre de tours puisque la tension de phase est 1/√3 de la tension de ligne. La quantité d'isolation nécessaire est également réduite.

Configuration delta-delta (Δ-Δ)

Les bobines primaires et secondaires sont dans le système delta. Ce système est destiné aux grands transformateurs BT et utilise un nombre de spires plus important que le type Y-Y. L'un des avantages de cette connexion est qu'elle est compatible avec des charges déséquilibrées sur les phases. Un autre avantage est que même lorsque le transformateur est désactivé, ses charges triphasées peuvent rester alimentées. Il s'agit généralement d'une configuration delta ouverte à des capacités réduites.

Dans une configuration delta-delta :

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

• VS : Tension secondaire
• VP : Tension primaire
• IS : Courant secondaire
• IP : Courant primaire

Configuration Wye-delta ou Star-Delta (Y-Δ)

Dans cette configuration, l'enroulement primaire est connecté en étoile et mis à la terre sur sa borne neutre. Les spires secondaires sont connectées dans le système delta. Son principal domaine d'application est l'abaissement de la tension au niveau de la sous-station du réseau de transport d'électricité.

Les tensions de ligne secondaire et primaire ont un rapport égal à 1/√3 fois le rapport de transformation de l'appareil. Il y a également un décalage de 30 degrés entre les tensions de ligne primaire et secondaire.

Configuration Delta-électrique ou Delta-étoile (Δ-Y)

L'enroulement primaire se connecte dans le système delta et l'enroulement secondaire dans la configuration en étoile avec mise à la terre. Il est principalement utilisé dans les transformateurs élévateurs situés à l'origine de la ligne de transmission. Les tensions des lignes secondaire et primaire ont un rapport qui est √3 fois le rapport de transformation de l'appareil. Il y a également un décalage de 30 degrés entre les tensions de ligne primaire et secondaire, comme dans le cas du transformateur Wye-Delta.

Il existe deux autres configurations en plus des quatre permutations principales. Les autres sont le résultat de la modification des enroulements primaires en triangle et en étoile. Il s'agit notamment de

Connexion delta ouverte (V-V)

Ce système comporte deux transformateurs. La connexion V-V entre en jeu lorsque l'un des transformateurs est désactivé, mais que le fonctionnement régulier de la charge est toujours nécessaire. Dans ce cas, le service est maintenu jusqu'à ce qu'il soit nécessaire de le réparer ou de le remplacer.

Cette configuration peut prendre en charge de petites charges triphasées pour lesquelles il n'est pas nécessaire d'installer une batterie complète de transformateurs triphasés. Sa capacité de transport est de 57,7 % de la connexion complète delta-delta.

Connexion Scott-T (T-T)

Dans ce système d'enroulement de transformateur triphasé, deux transformateurs sont utilisés. L'un d'entre eux, appelé transformateur principal, possède des prises centrales sur les enroulements primaire et secondaire. L'autre transformateur, appelé transformateur d'accroche, a une prise de 0,87. Le transformateur d'accrochage fonctionne à 87 % de la tension nominale.

Il est utilisé lorsqu'un système triphasé est relié à un système biphasé. L'alimentation d'un four électrique fonctionnant sur un système biphasé est une application typique d'une connexion T-T.

Connexion delta à patte haute

Une connexion delta à branche haute se produit lorsque le côté secondaire connecté en delta est pris au centre ; cette prise est alors connectée à la terre. Une telle configuration produit une alimentation triphasée (connectée en triangle) et une alimentation monophasée.

Les systèmes de distribution commerciaux et résidentiels utilisent cette connexion. Les consommateurs peuvent recevoir 240 V (tension de ligne) pour les grosses machines ou 120 V (tension de phase) pour les équipements plus petits ou l'éclairage sans avoir besoin d'un transformateur supplémentaire.

Applications

Les transformateurs triphasés sont des machines polyvalentes qui trouvent leur utilité dans de nombreux domaines. Parmi les applications les plus courantes, on peut citer

1. Les processus de production et de transmission d'électricité utilisent des transformateurs triphasés.

2. Les transformateurs triphasés permettent d'augmenter ou de diminuer la tension dans de nombreuses industries. Ces transformateurs sont largement utilisés dans les secteurs de l'exploitation minière, de l'imprimerie, du textile, des ascenseurs, de l'automatisation industrielle et de la pétrochimie, entre autres.

3. Comme le transformateur triphasé peut éliminer le bruit et les interférences d'impulsions à haute fréquence de son couplage interne, il est essentiel pour la fabrication de machines-outils de précision. Présents dans les systèmes de charge industrielle de haute puissance, tels que les entraînements de moteurs et les redresseurs, entre autres équipements.

FAQ

Un transformateur triphasé peut-il utiliser une source monophasée pour fournir du courant triphasé ?

Il est impossible de transformer des tensions d'entrée monophasées pour fournir une puissance triphasée à la sortie du transformateur. Les machines à déphasage ou les convertisseurs de phase tels que les condensateurs et les réacteurs sont nécessaires pour convertir un système monophasé en un système triphasé.

Les transformateurs triphasés peuvent-ils fonctionner à des fréquences supérieures à la fréquence nominale ?

Il est possible d'utiliser des transformateurs triphasés à des fréquences supérieures à la valeur nominale. Mais plus la fréquence dépasse la valeur nominale, plus la régulation de la tension est réduite.

Que signifie l'impédance lorsqu'on parle de transformateurs triphasés ?

L'impédance est une caractéristique d'opposition/limitation de courant du transformateur, et elle est généralement exprimée en pourcentage. Ce paramètre détermine la capacité d'interruption d'un fusible ou d'un disjoncteur pour protéger les enroulements primaires du transformateur.