Transformateur triphasé et couplages

Prérequis

Connaissances fondamentales en électrotechnique, notamment sur le courant alternatif monophasé et triphasé, les grandeurs électriques (tension, courant, puissance), les vecteurs de Fresnel et les principes de base du transformateur monophasé.

Explication théorique

TRANSFORMATEUR TRIPHASÉ : GÉNÉRALITÉS Un transformateur triphasé est une machine statique qui permet de modifier les caractéristiques (tensions, courants) d'un système de courants alternatifs triphasés, sans en modifier la fréquence. Il est composé de trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires, couplés magnétiquement sur un circuit magnétique commun. Le circuit magnétique est généralement constitué de tôles feuilletées pour réduire les pertes par courants de Foucault et hystérésis. LES DIFFÉRENTS COUPLAGES Les enroulements primaires et secondaires d'un transformateur triphasé peuvent être connectés de différentes manières, donnant lieu à plusieurs types de couplages, chacun ayant des propriétés spécifiques en termes de déphasage entre les tensions ligne/ligne et de capacité à gérer des déséquilibres ou la circulation du courant homopolaire. COUPLAGE ÉTOILE (Y ou y) Dans un couplage étoile, les débuts ou les fins de chaque phase sont connectés en un point commun appelé neutre. Ce point neutre peut être accessible ou non. Les tensions entre phase et neutre sont appelées tensions simples ou de phase (Uph), et les tensions entre deux phases sont les tensions composées ou de ligne (Ul). En régime équilibré, la tension de ligne est égale à √3 fois la tension de phase (Ul = √3 × Uph). Le courant dans chaque phase est égal au courant de ligne. Ce couplage permet d'obtenir un point neutre, utile pour l'alimentation de charges monophasées ou pour la protection. Il est sensible aux courants homopolaires en cas de défaut, qui peuvent circuler par le neutre si celui-ci est relié à la terre. COUPLAGE TRIANGLE (D ou d) Dans un couplage triangle, les enroulements sont connectés en série pour former une boucle fermée. Le début de chaque phase est connecté à la fin de la phase précédente. Dans ce couplage, la tension de ligne est égale à la tension de phase (Ul = Uph). Le courant de ligne est égal à √3 fois le courant de phase (Il = √3 × Iph) en régime équilibré. Ce couplage est naturellement équilibré et ne permet pas d'accéder à un neutre. Il permet la circulation de courants de séquence homopolaire en cas de déséquilibre, ce qui peut atténuer les harmoniques de rang 3 et leurs multiples. COUPLAGE ZIGZAG (Z ou z) Le couplage zigzag est principalement utilisé au secondaire des transformateurs de distribution. Chaque phase de l'enroulement secondaire est divisée en deux parties qui sont montées en série, mais sur des colonnes différentes du circuit magnétique. Ce couplage permet de créer un neutre, et présente l'avantage de bien supporter les déséquilibres de charge et de permettre une circulation équilibrée des courants homopolaires sans les répercuter sur le primaire. Il est généralement utilisé avec un primaire en étoile (Yz). Le couplage zigzag nécessite 15% de cuivre en plus qu'un couplage étoile standard pour la même puissance, ce qui le rend plus coûteux. INDICE HORAIRE L'indice horaire caractérise le déphasage entre les tensions composées du secondaire et celles du primaire. Il est exprimé par un nombre entier de 0 à 11, correspondant à un déphasage en multiples de 30 degrés (Indice × 30°). Par exemple, un indice 0 signifie un déphasage de 0°, un indice 6 signifie un déphasage de 180°. L'indice horaire est essentiel pour la mise en parallèle de transformateurs ou pour la connexion à d'autres réseaux, car des transformateurs mis en parallèle doivent impérativement avoir le même indice horaire. Les couplages courants incluent Yy0, Dy11, Yd11, Dz0, Yz5, etc. GROUPES DE COUPLAGE Les transformateurs triphasés sont classifiés en groupes de couplage (ex: Groupe I, II, III, IV) selon leur indice horaire. Les indices les plus courants sont 0, 6 (Groupe I), 11 (Groupe II), 5 (Groupe III) et 1 (Groupe IV). Le choix du groupe dépend des besoins du réseau et de la possibilité de mise en parallèle avec d'autres transformateurs. Chaque groupe regroupe des couplages ayant le même déphasage relatif entre le primaire et le secondaire. Par exemple, un Ynd11 et un Dy11 sont dans le même groupe de couplage, car ils ont le même déphasage de 330° (ou -30°) entre primaire et secondaire. RELATION DE TRANSFORMATION La relation de transformation entre le primaire et le secondaire dépend non seulement du rapport du nombre de spires (m = N2/N1) mais aussi des couplages. Pour un couplage étoile-étoile (Yy) ou triangle-triangle (Dd), le rapport de transformation entre tensions de ligne est le même que le rapport des nombres de spires (U2/U1 = N2/N1). Pour un couplage étoile-triangle (Yd) ou triangle-étoile (Dy), ce rapport est modifié par un facteur √3. Par exemple, pour un Yd, U2/U1 = (N2/N1) × (1/√3), et pour un Dy, U2/U1 = (N2/N1) × √3. Il est crucial de considérer les tensions composées (ligne-ligne) pour les calculs de rapport de transformation des transformateurs triphasés.

Formules

• Ul = √3 × Uph (pour couplage étoile équilibré)

  Relation entre tension de ligne (Ul) et tension de phase (Uph) pour un couplage étoile en régime équilibré.

• Il = √3 × Iph (pour couplage triangle équilibré)

  Relation entre courant de ligne (Il) et courant de phase (Iph) pour un couplage triangle en régime équilibré.

• P = √3 × Ul × Il × cos φ (pour système triphasé)

  Puissance active triphasée absorbée ou fournie, où P est la puissance active, Ul la tension de ligne, Il le courant de ligne, et cos φ le facteur de puissance.

• S = √3 × Ul × Il

  Puissance apparente triphasée, où S est la puissance apparente, Ul la tension de ligne et Il le courant de ligne.

• Q = √3 × Ul × Il × sin φ

  Puissance réactive triphasée, où Q est la puissance réactive, Ul la tension de ligne, Il le courant de ligne, et sin φ le facteur de puissance réactif.

• m = N2 / N1

  Rapport du nombre de spires entre le secondaire (N2) et le primaire (N1) d'un enroulement.

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE NUMÉRIQUE : CALCUL DE COURANTS ET TENSIONS POUR UN TRANSFORMATEUR Dy11 HYPOTHÈSES : - Transformateur triphasé de puissance apparente nominale S = 1600 kVA. - Tension primaire nominale Ul1 = 20 kV. - Tension secondaire nominale Ul2 = 400 V. - Couplage : Dy11 (Primaire en triangle D, Secondaire en étoile Y, Indice horaire 11). - Fréquence : 50 Hz. DONNÉES : S = 1 600 000 VA Ul1 = 20 000 V Ul2 = 400 V CALCUL ÉTAPE PAR ÉTAPE : 1. Calcul du courant de ligne nominal au primaire (Il1) : S = √3 × Ul1 × Il1 Il1 = S / (√3 × Ul1) Il1 = 1 600 000 VA / (√3 × 20 000 V) Il1 ≈ 1 600 000 / (1,732 × 20 000) Il1 ≈ 1 600 000 / 34 640 Il1 ≈ 46,18 A 2. Calcul du courant de ligne nominal au secondaire (Il2) : S = √3 × Ul2 × Il2 Il2 = S / (√3 × Ul2) Il2 = 1 600 000 VA / (√3 × 400 V) Il2 ≈ 1 600 000 / (1,732 × 400) Il2 ≈ 1 600 000 / 692,8 Il2 ≈ 2309,69 A 3. Tensions de phase au primaire (couplage D) : Pour un couplage triangle, la tension de phase est égale à la tension de ligne. Uph1 = Ul1 = 20 000 V 4. Tensions de phase au secondaire (couplage Y) : Pour un couplage étoile, la tension de phase est la tension de ligne divisée par √3. Uph2 = Ul2 / √3 Uph2 = 400 V / √3 Uph2 ≈ 400 / 1,732 Uph2 ≈ 230,94 V (C'est la tension entre phase et neutre). 5. Courants de phase au primaire (couplage D) : Pour un couplage triangle, le courant de phase est le courant de ligne divisé par √3. Iph1 = Il1 / √3 Iph1 = 46,18 A / √3 Iph1 ≈ 46,18 / 1,732 Iph1 ≈ 26,67 A 6. Courants de phase au secondaire (couplage Y) : Pour un couplage étoile, le courant de phase est égal au courant de ligne. Iph2 = Il2 = 2309,69 A APPLICATION INDUSTRIELLE CONCRÈTE : Ce transformateur (20 kV / 400 V, 1600 kVA, Dy11) est typique d'un transformateur de poste de distribution en milieu industriel ou urbain. Il abaisse la tension du réseau de distribution moyenne tension (20 kV) à la tension basse tension (400 V) utilisable par les équipements industriels (moteurs, machines-outils, éclairage, etc.). Le couplage Dy11 est très répandu car il offre plusieurs avantages : le primaire en triangle D ne répercute pas les harmoniques de courant de rang 3 du réseau (qui peuvent circuler dans le triangle) et le secondaire en étoile Y fournit un point neutre pour la distribution de la puissance aux charges monophasées (230V entre phase et neutre) et triphasées (400V entre phases), tout en permettant une mise à la terre du neutre pour la protection des personnes et des installations. L'indice horaire 11 est un standard international pour ce type d'application, assurant une compatibilité pour la mise en parallèle avec d'autres transformateurs de même type si nécessaire.

Méthode de mesure

MESURE DE L'INDICE HORAIRE (MÉTHODE PAR VECTEURS) 1. Vérification de la tension : Assurez-vous que le primaire est alimenté par une source triphasée équilibrée de faible tension (ex: quelques centaines de volts) pour des raisons de sécurité, tout en étant suffisant pour des mesures précises. 2. Connexion du primaire : Connectez les trois phases du primaire (A, B, C). 3. Connexion de référence : Connectez une borne du primaire (ex: A) à une borne du secondaire (ex: a). C'est la référence pour les mesures de tension. 4. Mesure des tensions ligne-ligne : Mesurez toutes les tensions ligne-ligne au primaire (UAB, UBC, UCA) et au secondaire (Uab, Ubc, Uca) pour s'assurer que le transformateur fonctionne correctement et qu'il n'y a pas de défaut interne. 5. Mesure des tensions entre phases primaire et secondaire : Mesurez les tensions entre la borne de référence (A=a) et toutes les autres bornes du primaire (B, C) et du secondaire (b, c). Par exemple, UAb, UAc, UBa, UBb, UBc, UCa, UCb, UCc. 6. Tracé des vecteurs : Représentez graphiquement sur un diagramme vectoriel les tensions de ligne du primaire et du secondaire à l'échelle. Les tensions entre (A=a) et les autres phases du primaire et secondaire aident à positionner précisément les vecteurs. 7. Détermination de l'indice : L'indice horaire est déterminé en observant l'angle de déphasage entre le vecteur de tension de ligne primaire de référence (ex: UAB) et le vecteur de tension de ligne secondaire correspondant (ex: Uab). Un déphasage de 30° dans le sens horaire correspond à un indice de 1. L'indice est le nombre de fois 30° de déphasage en sens horaire. MÉTHODE PAR PONT DE WHEATSTONE OU DISPOSITIF DÉDIÉ : Il existe des appareils de mesure spécifiques, souvent basés sur un pont de Wheatstone ou des techniques de mesure de phase numérique, qui mesurent directement l'indice horaire et les rapports de transformation sans la complexité des tracés vectoriels manuels.

Instruments nécessaires

- Multimètre numérique (pour mesurer les tensions) - Vérificateur d'absence de tension (VAT) ou détecteur de tension - Phasamètre ou appareil de mesure d'angle de phase (pour une méthode plus précise que le tracé manuel) - Logiciel de tracé vectoriel (si la méthode graphique est utilisée) - Testeur d'isolement (mégohmmètre) pour vérifier l'intégrité des enroulements avant la mise sous tension (non directement pour l'indice horaire, mais pour la sécurité et la conformité générale) - Dispositif dédié de test de rapport de transformation et d'indice horaire (TTR - Transformer Turns Ratio tester)

Procédure de contrôle

1. Vérifier l'état physique du transformateur (absence de dommage, fuite d'huile). 2. Effectuer des tests d'isolement (mégohmmètre) entre enroulements et masse, et entre enroulements. 3. Mesurer les résistances des enroulements primaires et secondaires (à froid). 4. Réaliser la mesure de l'indice horaire et des rapports de transformation. 5. Vérifier la conformité des résultats avec la plaque signalétique du transformateur et les spécifications techniques. 6. S'assurer de la continuité des circuits de mise à la terre.

Symptômes de panne

- Surchauffe anormale du transformateur. - Bruit excessif (ronronnement, bourdonnement). - Vibrations inhabituelles. - Disjonction fréquente des dispositifs de protection (fusibles, disjoncteurs). - Présence d'huile dans le bac de rétention ou fuites visibles. - Odeur de brûlé. - Variation anormale des tensions ou courants au secondaire. - Déséquilibre de tension ou de courant entre phases au secondaire, sans déséquilibre de charge. - Dysfonctionnement des équipements connectés au secondaire.

Causes probables

- Surcharge prolongée du transformateur. - Court-circuit interne ou externe (sur le réseau). - Vieillissement de l'isolation des enroulements. - Surtensions transitoires (foudre, manœuvres). - Mauvaise ventilation ou encrassement des systèmes de refroidissement. - Niveau d'huile insuffisant ou dégradation de l'huile diélectrique. - Desserrage des connexions électriques (points chauds). - Rupture partielle d'un enroulement ou défaut entre spires. - Défaut du circuit magnétique. - Mauvais couplage ou erreur de câblage lors de l'installation (mauvais indice horaire, inversion de phase). - Déséquilibre important et prolongé des charges.

Erreurs fréquentes

- Ignorer l'indice horaire lors de la mise en parallèle de transformateurs, entraînant des courts-circuits ou des courants de circulation élevés. - Négliger les tests d'isolement avant la mise sous tension, conduisant à des claquages. - Sous-estimer l'impact du déséquilibre de charge sur un couplage étoile avec neutre non relié ou mal dimensionné. - Ne pas vérifier le sens de rotation des phases après le transformateur, surtout lors du remplacement ou de la mise en service. - Surcharger le transformateur au-delà de sa puissance nominale, provoquant un échauffement excessif et une réduction de la durée de vie. - Ne pas considérer les harmoniques lors du dimensionnement, surtout avec des charges non linéaires, qui peuvent provoquer des échauffements supplémentaires.

Précautions de sécurité

- CONSIGNATION : Procéder à la consignation de l'installation électrique (séparation, condamnation, identification, vérification d'absence de tension, mise à la terre et en court-circuit) avant toute intervention sur le transformateur ou son environnement. - ÉQUIPEMENTS DE PROTECTION INDIVIDUELLE (EPI) : Port de gants isolants, lunettes de sécurité, casque, vêtements de travail adaptés et chaussures de sécurité. Pour les opérations sous tension ou à proximité, EPI spécifiques à l'arc électrique. - HABILITATION ÉLECTRIQUE : Seuls les personnels titulaires d'une habilitation électrique appropriée (ex: B2V, H2V, BR, BC, BE Mesure) sont autorisés à intervenir sur ou à proximité d'un transformateur. - Respecter les distances de sécurité vis-à-vis des pièces nues sous tension. - Utiliser des outils isolés et en bon état. - Travailler à plusieurs pour les opérations dangereuses. - Vérifier la mise à la terre du châssis et du neutre du transformateur (si disponible et raccordé).

Références

• Norme CEI 60076 (Transformateurs de puissance) — référence à vérifier
• Norme d'installation électrique applicable (ex: NF C 15-100 en France, RGIE en Belgique, etc.) — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Pourquoi l'indice horaire est-il important pour les transformateurs triphasés ?

  L'indice horaire indique le déphasage angulaire entre les tensions de ligne primaire et secondaire. Il est crucial pour la mise en parallèle de transformateurs (ils doivent avoir le même indice horaire pour éviter des courants de circulation importants et des courts-circuits) et pour l'interconnexion de réseaux.

• Quelle est la différence entre un couplage Y et D ?

  Le couplage étoile (Y) permet d'avoir un point neutre accessible, utile pour les charges monophasées et la protection. La tension de ligne est √3 fois la tension de phase. Le couplage triangle (D) ne permet pas d'accéder au neutre, mais il est intrinsèquement équilibré et permet la circulation des harmoniques de courant de rang 3, empêchant leur propagation dans le réseau. La tension de ligne est égale à la tension de phase.

• À quoi sert un couplage Zigzag (Z) ?

  Le couplage zigzag est principalement utilisé au secondaire d'un transformateur de distribution (généralement en Yz). Il offre une bonne performance face aux déséquilibres de charge et permet de créer un point neutre robuste, capable de gérer les courants homopolaires sans les répercuter sur le primaire. Cela le rend idéal pour alimenter des charges déséquilibrées.

• Peut-on mettre en parallèle des transformateurs avec des indices horaires différents ?

  Non, il est impératif que les transformateurs mis en parallèle aient le même indice horaire. Des indices horaires différents entraîneraient des différences de phase entre les tensions secondaires, ce qui provoquerait des courants de circulation importants entre les transformateurs, pouvant endommager les enroulements ou déclencher les protections.

• Comment le rapport de transformation est-il affecté par le couplage ?

  Le rapport de transformation global (rapport des tensions ligne-ligne) dépend non seulement du rapport du nombre de spires des enroulements, mais aussi des couplages. Par exemple, un transformateur Dy aura un rapport de transformation des tensions de ligne différent d'un Yy, même avec le même rapport de spires, à cause du facteur √3 introduit par la transition étoile/triangle ou triangle/étoile.