Transformateurs triphasés

Dans le transport et la distribution de l'énergie électrique, on utilise des transformateurs triphasés de grande puissance.

Ils sont installés dans :

• les centrales ;
• les postes d'interconnexion ;
• de distribution ; 
• sur les poteaux ;
• dans les zones de distribution.

On peut considérer dans le principe de fonctionnement qu'un transformateur triphasé est équivalent à trois transformateurs monophasés.

La différence tient essentiellement aux modes de couplage des enroulements des transformateurs triphasés.

La figure suivante vous montre la constitution d'un transformateur triphasé.

Transformateur triphasé :

Le circuit magnétique est constitué de trois colonnes en général alignées et de deux culasses qui assurent la fermeture du circuit.

Il est réalisé par empilage de tôles d'acier au silicium.

Chacune des colonnes reçoit les bobinages primaires et secondaires d'une phase comme pour les transformateurs monophasés (figure ci-dessus).

Les organes mécaniques ont un rôle plus important pour les transformateurs de forte puissance, tels que les anneaux de manutention ou le système de refroidissement.

La figure ci-après montre un système de refroidissement.

Bobinage des enroulements :

Aéroréfrigérant sur un transformateur :

Comme illustré par la figure suivante, les enroulements du primaire comme du secondaire, du côté Haute Tension (HT) comme du côté Basse Tension (BT) peuvent se coupler selon trois schémas de base :

- Le couplage étoile permet la sortie du neutre et ainsi de disposer des tensions simples et composées. Il est, pour cela, très utilisé en BT.

- Le couplage triangle ne permet pas la sortie du neutre ; de plus, comme les enroulements sont alimentés par la tension composée, ils nécessitent un plus grand nombre de spires qu'en étoile.

- Les enroulements du couplage zigzag sont divisés en deux demi-bobines placées sur deux colonnes différentes comme indiqué sur la figure suivante. De plus la deuxième demi-bobine est inversée par rapport à la première. On obtient avec ce couplage une meilleure répartition des tensions sur un réseau BT déséquilibré.

Couplages des enroulements d'un transformateur triphasé :

Comme nous avons trois couplages possibles pour le coté HT et trois pour le coté BT, cela nous fait six possibilités de couplage pour le transformateur.

De plus, un enroulement peut être pris dans un sens ou dans l'autre ; l'ordre dans lequel se suivent les enroulements peut être changé, on obtient de ce fait des déphasages entre la HT et la BT qui sont des multiples de 30°.

Un angle de 30° correspond à une heure sur une horloge.

On peut faire ainsi correspondre la valeur du déphasage à une heure du cadran de l'horloge comme l'indique la figure ci-dessous. Le déphasage porte le nom d'indice horaire.

Les différents modes de couplage sont symbolisés par des lettres, majuscules pour la haute tension, minuscules pour la basse tension :

- Y ou y pour le couplage étoile ;

- D ou d pour le couplage triangle ;

- Z ou z pour le couplage zigzag.

Correspondance entre le déphasage et l'indice horaire :

Les différents couplages des enroulements d'un transformateur triphasé se désignent par une lettre majuscule correspondant au couplage du coté HT, une lettre minuscule correspondant au couplage BT et un nombre correspondant à l'indice horaire.

Exemple : D y 11

- D : couplage des enroulements HT en triangle ;

- y : couplage des enroulements BT en étoile ;

- 11: indice horaire du couplage (déphasage de 330°).

Lorsque l'on veut brancher deux transformateurs en parallèle, afin de satisfaire une augmentation de la consommation d'énergie par exemple, les transformateurs doivent avoir :

- la même tension d'alimentation ;

- le même rapport de transformation ;

- les mêmes tensions de court-circuit à 10 % près ;

- les mêmes indices horaires de couplage.

Plaque à bornes d'un transformateur triphasé

Sur la plaque à bornes, les enroulements sont repérés par les lettres A, B, C pour le coté HT et a, b, c pour le coté BT. On ajoute éventuellement la lettre n si le neutre est présent.

La représentation schématique du couplage se fait de part et d'autre de la plaque à bornes comme si on avait écarté les enroulements placés sur les mêmes colonnes, la BT vers le haut, la HT vers le bas comme le montre l'exemple de la figure suivante où on a également représenté le diagramme de Fresnel des tensions pour un couplage D y 11.

Schéma et diagramme de Fresnel d'un couplage D y 11 :

Les couplages les plus utilisés sont représentés sur la figure suivante. Le couplage des enroulements d'un transformateur triphasé est un élément qui est indiqué sur sa plaque signalétique, en plus de ceux indiqués précédemment.

Couplages principaux et schémas correspondants :

Les normes IEC 989 et EN 60-742 (IEC 742) ont pour objet d'établir les règles d'aptitude à l'emploi et de sécurité pour les transformateurs.

Une des principales consiste pour le constructeur à choisir le dispositif de protection (contre les courts-circuits et les surcharges) le mieux adapté au transformateur.

La nature de cette protection doit d'ailleurs être clairement indiquée sur la plaque signalétique du transformateur.

En amont du transformateur, les risques proviennent des surtensions ou de la foudre. La protection contre ces perturbations consiste à installer des limiteurs de surtension et des parafoudres.

En aval du transformateur, les risques proviennent de l'utilisation, ce sont essentiellement les surcharges et les courts-circuits.

On protégera le transformateur par l'utilisation de protections adaptées contre ces risques :

• relais de protection thermique,
• fusibles,
• disjoncteurs.

La norme n'impose pas l'emplacement du dispositif de protection. C'est le constructeur qui choisit la position la mieux adaptée, soit au primaire soit au secondaire.

Le calibre, le type et l'emplacement du dispositif de protection figurent sur la plaque signalétique de l'appareil et sont indiqués sur la figure suivante.

Calibre, types et emplacement des fusibles à utiliser pour la protection des transformateurs :

Le transformateur présente également des risques qui lui sont propres :

- élévation de température ;

- défaut d'isolement pouvant entraîner un dégagement gazeux dans le cas d'un transformateur immergé. On remédie à ces défauts par l'utilisation de :

- thermostat coupant l'alimentation en cas d'élévation de la température ;

- relais Buchholz détectant les dégagements gazeux ;

- protection masse-cuve.

La figure suivante montre les principales protections mises en œuvre autour d'un transformateur.

Soupape de surpression. Relais de protection (Buchholz). Bloc de protection :

A la suite de cette étude, vous devriez retenir les points suivants :

• L'utilisation d'un transformateur triphasé s'impose dès que les puissances mises en jeu deviennent importantes.

• Un transformateur triphasé est constitué de trois colonnes recevant trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires qui peuvent être couplés :

- en étoile : Y ou y ;

- en triangle : D ou d ;

- en zigzag : Z ou z.

• La combinaison des trois couplages de base permet d'obtenir douze déphasages entre tensions primaire et secondaire correspondant à douze indices horaires.

• La désignation des couplages désigne :

- le couplage HT, en lettre majuscule ;

- le couplage BT, en lettre minuscule ;

- l'indice horaire : de un à douze.

• La protection des transformateurs se fait :

- en amont : parafoudre, limiteur de surtension ;

- en aval : fusibles, disjoncteurs ;

- sur le transformateur : thermostat, relais Buchholz.