Transformateurs triphasés : un guide complet

Transformateurs triphasés

Transformateur triphasé

Figure 1 : Transformateur triphasé

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 a pour effet de faire monter (augmenter) ou descendre (diminuer) les tensions 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 CA (courant alternatif) triphasé pour fournir aux consommateurs une électricité stable et sûre pour les appareils. Selon l'industrie ou l'application, la taille, la conception, la puissance nominale en volts-ampères et les capacités de charge du transformateur triphasé seront différentes.

Table des matières

Qu'est-ce qu'un transformateur triphasé ?

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

Un transformateur triphasé ayant trois jeux d'enroulements sur les côtés primaire et secondaire

Figure 2 : Un transformateur triphasé ayant trois jeux d'enroulements sur les côtés primaire et secondaire

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, comme les ondes carrées, triangulaires et complexes, peuvent également être générées. Les signaux alternatifs ont trois propriétés importantes : l'amplitude, la période et la fréquence. L'amplitude décrit la magnitude de l'onde. La période est le moment où une oscillation complète se produit, tandis que la fréquence est le nombre de cycles apparaissant par seconde.

Une oscillation CA complète a à la fois un pic et un creux. Pour le cycle habituel de 360°, ces points sont à 90° et 270°. Le système monophasé présente un seul pic et un seul creux dans un même conducteur, et ces points présentent des magnitudes maximales mais dans des directions opposées. les systèmes triphasés, quant à eux, présentent trois pics et creux sur trois conducteurs. Les tensions et les courants sont en avance ou en retard de 120° les uns par rapport aux autres (voir la 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 la magnitude de la force électromotrice induite dans un circuit est directement proportionnelle au taux de variation du flux magnétique traversant le circuit.

Par conséquent, un conducteur placé près d'un champ magnétique changeant - provenant d'un électroaimant alimenté en courant alternatif, par exemple - aura un courant électrique. Les circuits électromagnétiques de cette nature sont appelés enroulements primaires.

Comme le courant électrique s'effondre et est généré en permanence à une fréquence particulière, le champ magnétique s'effondre et se recrée de manière similaire. Ce champ magnétique alternatif induit un courant dans les conducteurs coupés par ce flux ; ils sont alors appelés enroulements secondaires. La fréquence est la même dans les deux enroulements.

Les différents 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 avec des enroulements primaires et secondaires enroulés sur un seul noyau et le transformateur à coquille qui combine trois transformateurs monophasés.

Type de noyau

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 un enroulement basse tension est plus facile à isoler, ces enroulements sont plus proches du noyau que les enroulements haute tension. Les derniers enroulements s'enroulent autour des premiers, avec un matériau isolant entre eux. Dans cette construction, les enroulements sont reliés magnétiquement 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 séparés. Les trois phases de ce transformateur ont leurs champs magnétiques pratiquement indépendants, et le noyau de ce transformateur a cinq branches comme le montre la figure 3.

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

Le flux magnétique se divise en deux lorsque le champ s'approche de la culasse. Il est courant que les membres extérieurs et l'empiècement fassent la moitié de la taille des membres principaux. Vous pouvez diminuer la hauteur du transformateur en réduisant la taille de l'étrier.

Transformateurs à enveloppe (A) et à noyau (B)

Figure 3 : Transformateurs à enveloppe (A) et à noyau (B)

La constitution du transformateur triphasé

En dehors du noyau et des enroulements, il existe d'autres parties vitales dans un transformateur, comme indiqué 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 liquide de refroidissement en évacuant la chaleur du noyau et des enroulements.
  • Thermomètres : Les thermomètres contrôlent la température de l'huile.
  • Systèmes de décharge de pression : Les systèmes de décharge de pression font partie du protocole de sécurité. Ils désamorcent les situations de surpression lorsque l'huile éclate en raison de courts-circuits.
  • Refroidisseur : Le système de refroidissement refroidit le liquide de refroidissement. Il refroidit l'huile chaude par des tubes refroidis par eau ou par air. Le liquide de refroidissement est ensuite renvoyé vers le noyau et les enroulements.
  • Tank : La cuve 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 en raison de la chaleur dans les enroulements et le 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 gaz : Les relais actionnés par gaz ont un autre nom : le relais Buchholz. Il retient le gaz libre qui bouillonne dans la cuve du transformateur, et le fait de voir ce gaz libre indique qu'il y a un problème avec le transformateur.
  • Les respirateurs : Les reniflards permettent de garder l'huile du transformateur sèche. Ces reniflards éliminent l'humidité des poches d'air situées au-dessus du niveau d'huile du conservateur.

Configurations de transformateurs triphasés

Il existe deux connexions importantes pour ces machines triphasées : les configurations en étoile et en triangle.

La configuration en étoile est également appelée connexion en étoile. Il a 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 rencontrent ; 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 comporte trois bornes et des 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 pattes hautes en mettant à la terre le point médian d'une phase, comme le montre la figure 4.

Connexions en étoile et en delta

Figure 4 : Connexions en étoile et en delta

Caractéristiques de tension et de courant

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

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

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

Tableau 1 : caractéristiques de la tension et du courant triphasés

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

En plus des tensions et des courants, un calculateur de transformateur triphasé nécessite un autre paramètre pour dimensionner correctement le dispositif : le rapport de transformation (TR). Comme un transformateur est une machine linéaire, les tensions dans les enroulements secondaires peuvent être déterminées à l'aide des tensions primaires et du rapport de transformation. C'est le rapport des tours des enroulements secondaires et primaires.

schémas d'enroulement des transformateurs triphasés

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

Configuration étoile-étoile (Y -Y)

Les bobines primaires et secondaires sont enroulées dans le système en étoile. Il présente l'avantage majeur de posséder une borne neutre sur les deux côtés du transformateur, ce qui permet la 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. C'est principalement pour les 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.

connexion étoile-étoile

Figure 5 : connexion en étoile

Configuration Delta-Delta (Δ-Δ)

Les bobines primaires et secondaires sont dans le système delta. Ce système est destiné aux gros transformateurs BT, et il utilise un nombre de spires plus important que le type Y-Y. Un avantage 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 en delta ouvert à capacité réduite.

Dans une configuration delta-delta :

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

  • VS : Tension secondaire
  • VP : Tension primaire
  • IS : Courant secondaire
  • IP : Courant primaire
delta-delta configuration

Figure 6 : configuration delta-delta

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 des sous-stations de transmission électrique.

Les tensions des lignes secondaires et primaires ont un rapport qui est 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-Wye ou Delta-Star (Δ-Y)

L'enroulement primaire se connecte dans le système en triangle et le secondaire dans la configuration en étoile 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 secondaires et primaires 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 le transformateur Wye-Delta.

Configuration Delta-star

Figure 7 : Configuration Delta-star

Il existe deux autres configurations en plus des quatre permutations principales. Ces autres sont le produit de l'altération des enroulements primaires en triangle et en étoile. Ils comprennent :

Connexion Delta ouverte (V-V)

Ce système comporte deux transformateurs. La connexion V-V entre en jeu lorsqu'un des transformateurs est désactivé, mais que le fonctionnement en charge régulière est toujours nécessaire. Dans ce cas, le service continuera jusqu'à ce qu'il ait besoin d'être réparé ou qu'un remplacement soit installé.

Cette configuration peut supporter de petites charges triphasées où l'installation d'une banque complète de transformateurs triphasés est inutile. Sa capacité de transport est de 57,7% de la connexion complète delta-delta.

Connexion Scott-T (T-T)

Dans ce système de bobinage de transformateur triphasé, deux transformateurs sont utilisés. L'un d'entre eux possède des prises centrales sur les enroulements primaires et secondaires, il s'agit du transformateur principal. L'autre transformateur, appelé transformateur d'accroche, a une prise de 0,87. Le transformateur d'accroche fonctionne à 87 % de la tension nominale.

Il est utilisé lorsqu'un système triphasé est interconnecté avec un système biphasé. L'alimentation d'un four électrique qui fonctionne sur un système biphasé est une application typique d'une connexion T-T.

Connexion Delta à jambe haute

Une connexion en triangle à branche haute se produit lorsque le côté secondaire connecté en triangle est pris au centre ; cette prise est ensuite 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 petits équipements ou l'éclairage sans avoir besoin d'un transformateur supplémentaire.

Applications des transformateurs triphasés

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

  1. Les processus de production et de transmission d'énergie utilisent des transformateurs triphasés.
  1. Les transformateurs triphasés peuvent augmenter ou 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.
  1. Comme le transformateur triphasé peut exempter le bruit et les interférences des impulsions haute fréquence de son couplage interne, ils sont essentiels pour la fabrication de machines-outils de précision. Présente dans les systèmes de charge industriels de forte puissance, tels que les commandes de moteurs et les redresseurs, entre autres équipements.

FAQs

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. Des machines déphaseuses ou des convertisseurs de phase tels que des condensateurs et des 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 est élevée au-delà de 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 du courant du transformateur, et elle est généralement exprimée en pourcentage. Ce paramètre détermine le pouvoir de coupure d'un fusible ou d'un disjoncteur pour protéger les enroulements primaires du transformateur.