Couplage de transformateurs triphasés

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Les transformateurs de puissance sont constitués de plusieurs enroulements pour fonctionner dans un réseau électrique triphasé. Ces enroulements, qu'ils se trouvent dans un même transformateur dans le cas d'un transformateur triphasé ou répartis dans 3 transformateurs monophasés, sont connectés entre eux selon différents arrangements, appelé couplage ou « connexion ». En anglais le terme courant est Vector group et en allemand Schaltgruppe. Chacun a ses avantages et ses défauts, il convient de les utiliser dans les cas appropriés.

Description[modifier | modifier le code]

Connexion étoile y[modifier | modifier le code]

Schéma de la connexion étoile

Dans la connexion étoile chaque enroulement de phase d'un transformateur triphasé est connecté à un point commun (point neutre). L'autre extrémité étant reliée à la borne de ligne correspondante[1]. La tension aux bornes des bobines est la tension entre phases divisée par \sqrt{3}. Le courant traversant les bobines est le courant de ligne. Elle est représentée par la lettre Y.

Connexion triangle[modifier | modifier le code]

Schéma de la connexion triangle

Dans la connexion triangle, la connexion des enroulements de phase d'un transformateur triphasé est effectuée de manière à réaliser un circuit fermé[2]. La tension aux bornes des bobines est la tension entre phases. Le courant traversant les bobines est le courant de ligne divisé par \sqrt{3}. Elle est représentée par la lettre D ou Δ.

Connexion Zigzag[modifier | modifier le code]

Schéma de la connexion Zigzag

Connexion des enroulements consistant en deux sections d'enroulement, la première section étant connectée en étoile et la seconde en série entre la première section et les bornes de ligne : les deux sections sont disposées de telle sorte que chaque phase de la deuxième section soit enroulée sur une colonne du transformateur différente de celle de la première section à laquelle elle est connectée[3]. Elle est représentée par la lettre Z.

Symbole de couplage[modifier | modifier le code]

Le primaire du transformateur est connecté selon une connexion, tout comme le secondaire, la combinaison des deux est le couplage du transformateur. Le symbole de couplage indique les modes de connexions des enroulements et déphasages relatifs, exprimés par une combinaison de lettres et du ou des indices horaires. La majuscule représente la haute tension du transformateur. La minuscule représente la basse tension du transformateur. Le « n » représente le neutre sorti au secondaire (couplage étoile)[4]. L'indice de couplage est complété par un « indice horaire » qui donne, par pas de 30 °, le déphasage horaire en 12e de tour (comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (exemple : 11 = 11×30 ° = 330 ° en sens horaire ou 30 ° en sens anti-horaire)[4].

Par exemple, un indice de couplage « Dyn11 » définit donc un transformateur dont :

  • le système triphasé de tension élevé est en « triangle » ;
  • le système triphasé de tension basse est en « étoile » avec neutre sorti (indiqué par le « n ») ;
  • le décalage entre les deux systèmes est de 330 ° (= – 30 ° ou bien 11×30 °).

Les couplages les plus utilisés sont : Yyn0, Yyn6, Yzn5, Yzn11, Dyn5, Dyn11.

Comparatif[modifier | modifier le code]

La connexion étoile a les avantages suivants [5] :

  • plus économique pour les transformateurs de haute tension
  • a un point de neutre disponible
  • permet la mise à la terre directe ou la mise à la terre à travers une impédance
  • permet de réduire le niveau d'isolation du neutre (isolation graduée)
  • permet de loger les prises d'enroulement et les changeurs de prises à l'extrémité neutre de chaque phase

La connexion triangle a les avantages suivants [6] :

  • plus économique pour un enroulement à courant fort et à basse tension
  • combiné avec un enroulement à couplage étoile, réduit l'impédance homopolaire dans cet enroulement

La connexion en zigzag a les avantages suivants [7] :

  • Peut recevoir une charge de courant de neutre avec une basse impédance homopolaire inhérente
  • réduit le déséquilibre de tension dans les réseaux où la charge n'est pas réparti également entre les phases.

Utilisations[modifier | modifier le code]

Les avantages et les défauts des différents couplages conditionnent leurs utilisations.

  • Le couplage Yz5 est utilisé pour les transformateurs de distribution électrique d'une puissance inférieure à 250 kVA[8]. Les propriétés de rééquilibrage de la tension sont en effet très utile dans un réseau de distribution où les charges ne sont pas forcément également réparties entre les différentes phases (les particuliers sont connectés en monophasé).
  • Le couplage Dy5 est utilisé pour les transformateurs de distribution électrique d'une puissance supérieure à 250 kVA[8]. L'économie de cuivre par rapport au couplage Yz5 devient alors intéressante, un Dz5 serait difficile pour les petites puissantes car le diamètre du câble des enroulements deviendrait trop faible[9].
  • Pour les transformateurs associés à des moteurs un couplage Yd5 est privilégié, tout comme pour la connexion des générateurs électriques des centrales électriques : du côté où le courant est fort on connecte en delta pour le réduire, côté haute-tension on connecte en étoile pour la réduire[8],[10].
  • Pour les grands transformateurs dans le réseau le couplage Yy0 est souvent utilisé pour limiter le besoin en isolation des transformateurs à cause de la haute tension[8].

3e harmonique[modifier | modifier le code]

Les enroulements connectés en triangle ne sont pas touchés par les courants de troisième harmonique.

Pour les connexions Yy on a en particulier le problème du courant de 3e harmonique (150 Hz), ils sont induits dans la même direction dans ce cas et leur somme ne s'annule pas. Si le bobinage est mis à la terre ce courant s'y écoule, il vaut[11] :

 \Sigma I_{3e harmonique} = I_{U,3e} + I_{V,3e} + I_{W,3e} = I_3 sin(3 \cdot \omega \cdot t) + I_3 sin(3 ( \omega \cdot t - \frac{2 \cdot \pi}{3}))+ I_3 sin(3 ( \omega \cdot t - \frac{4 \cdot \pi}{3}))
 = 3 \cdot I_3 sin(3 \cdot \omega \cdot t)
Quand le transformateur est connecté en étoile-étoile, les courants de troisième harmonique s'écoulent par le neutre et sont induits au secondaire.
Quand le transformateur est connecté en étoile-delta, les courants de troisième harmonique s'écoulent par le neutre mais ne sont pas induits au secondaire.

S'il n'y a pas de point de neutre le courant I3 doit être nul, un réseau équilibré ne génère pas d'harmonique d'ordre 3[11]. En cas de déséquilibre, la tension du point de neutre de la connexion étoile oscille autour de 0 à 150 Hz[12]. Ce sont des courants homopolaires[11]. Par ailleurs, les courants présents dans le primaire sont également induits dans le secondaire.

Dans le cas d'un enroulement triangle, les courants de lignes sont divisés par \sqrt{3} dans les bobines. Dans chaque bobine on a alors :

 I_{bobineU} = \frac{I_{U,3e}}{\sqrt{3}} - \frac{I_{V,3e}}{\sqrt{3}} =  \frac{I_3 sin(3 \cdot \omega \cdot t)}{\sqrt{3}} - \frac{I_3 sin(3 ( \omega \cdot t - \frac{2 \cdot \pi}{3}))}{\sqrt{3}} = 0

Il n'y a aucun courant de 3e harmonique qui entre dans le triangle. De même dans le cas d'un couplage Yd, si un courant de 3e harmonique équilibré vient de l'enroulement connecté en étoile, il circulera dans le triangle sans en ressortir (voir graphique)[13]. Ils y provoquent toutefois un échauffement. À noter également que si les courants de 3e harmonique venant des 3 phases ne sont pas égaux, un courant ressort tout de même dans le réseau malgré le couplage[11].

À noter que ce qui est vrai pour la 3e harmonique est vrai pour toutes les harmoniques multiples de 3 : 6, 9... La démonstration est identique.

Impédance homopolaire et enroulement de stabilisation[modifier | modifier le code]

L'impédance homopolaire d'un transformateur est importante dans le cas d'un défaut. Sa valeur dépend à la fois du type de noyau magnétique utilisé et du couplage[10].

Le flux induit doit aussi trouver un chemin de retour. Si le noyau possède 3 colonnes bobinés, ce flux ne peut circuler dans les colonnes, il passe typiquement par les parois de la cuve. Cela cause des échauffements à cause des courants de Foucault qui s'y créent[12].

Un enroulement de stabilisation est un troisième enroulement qui n'est relié à aucune phase. Il est typiquement connecté en triangle. Il sert dans le cas de transformateur YNyn typiquement à réduire l'impédance homopolaire du système connecté (utile seulement en cas de dissymétrie, en cas de défaut par exemple) et par la même occasion le facteur de défaut à la terre[14]. Concrètement il permet l'évacuation des courants de 3e harmonique. On note la présence d'un enroulement de stabilisation par « +d » dans le symbole de couplage[10].

Le rapport de l'impédance homopolaire X0 sur l'impédance directe X1 est donné dans le tableau suivant pour diverses configurations[10] :

Rapport X0/ X1
Type de Noyau magnétique Couplage
YNd ou Dny YNy YNy+d
À 3 colonnes bobinées 0,7 - 1 3 - 10 1 - 2,4
À 3 colonnes bobinées et 2 colonnes de retour 1 10 - 100 1 - 2,4
3 transformateurs monophasés 1 10 - 100 1 - 2,4

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (de) Eckhard Spring, Elektrische Maschninen, Berlin, Heidelberg, New York, Springer,‎ 2006 (ISBN 3-540-28241-6)
  • (de) D. Oeding et B.R. Oswald, Elektrische Kraftwerke und Netze, Berlin, Springer,‎ 2004 (lire en ligne), p. 217-255
  • (en) James H. Harlow, Electric power transformer engineering, CRC Press,‎ 2004, p. 128-160

Références[modifier | modifier le code]

  1. CEI 60076-1, clause 3.10.1, version 2011
  2. CEI 60076-1, clause 3.10.2, version 2011
  3. CEI 60076-1, clause 3.10.4, version 2011
  4. a et b Oeding, p. 217-255
  5. CEI 60076-8, clause 2.1.1, version 1997
  6. CEI 60076-8, clause 2.1.2, version 1997
  7. CEI 60076-8, clause 2.1.3, version 1997
  8. a, b, c et d Spring 2006, p. 187
  9. Polycopié de la TU Munich
  10. a, b, c et d Oeding 2004, p. 223
  11. a, b, c et d « Les singularités de l'harmonique 3 » (consulté le 8 mai 2013)
  12. a et b Harlow 2004, p. 305
  13. Harlow 2004, p. 307
  14. CEI 60076-8, clause 4.7.2, version 1997