Transformateurs triphasés : Construction et configurations
À côté de l'eau, des égouts et d'autres services, l'électricité est l'un des services publics les plus importants dans le monde développé. Selon l'endroit où elle est utilisée, l'électricité peut être disponible à différentes tensions. La clé pour abaisser (ou augmenter) l'électricité entre deux systèmes ? Les transformateurs. Cet article de Bel explore les avantages et les inconvénients des quatre configurations de bobinage principales des transformateurs triphasés.
Un transformateur est un dispositif électrique qui, par induction électromagnétique, transforme l'énergie entre les circuits à la même fréquence, en modifiant généralement les valeurs de tension et de courant. Puisque toute l'énergie d'origine est générée sous forme triphasée, les transformateurs triphasés jouent un rôle clé dans la distribution d'énergie à longue distance, les réseaux régionaux, les réseaux locaux, les installations industrielles et commerciales.
Configurations d'enroulement de transformateur triphasé
Les transformateurs de puissance triphasés sont construits en enroulant trois transformateurs monophasés sur un seul noyau. Comme le cuivre et le noyau en fer sont utilisés plus efficacement, les transformateurs triphasés pour une puissance en voltampères (VA) donnée seront plus petits, plus économiques et plus légers que trois transformateurs monophasés individuels.
Figure 1 : Connecteurs typiques de prise et de fiche à contact physique.
Les transformateurs triphasés possèdent généralement au moins 6 enroulements : 3 primaires et 3 secondaires. Les enroulements primaires et secondaires peuvent être connectés dans différentes configurations pour répondre à différents besoins. Dans les applications courantes, les enroulements sont généralement connectés dans l'une des deux configurations populaires : triangle (Delta) ou étoile (Wye).
Connexion en triangle
Dans une connexion en triangle, il y a trois phases et pas de neutre. Une connexion de sortie en triangle peut alimenter uniquement une charge triphasée. La tension de ligne (VL) est égale à la tension d'alimentation. Le courant de phase (IAB = IBC = ICA) est égal au courant de ligne (IA = IB = IC) divisé par √3 (1,73). Lorsqu'un secondaire de transformateur est connecté à une grande charge déséquilibrée, le primaire en triangle offre un meilleur équilibre de courant pour la source d'alimentation d'entrée.
Figure 2 : Schéma de connexion « Delta ».
Connexion en étoile
Dans une connexion en étoile, il y a 3 phases et un neutre (N) – soit quatre fils au total. Une sortie de connexion en étoile permet au transformateur de fournir une tension triphasée (phase à phase), ainsi qu'une tension pour les charges monophasées, à savoir la tension entre n'importe quelle phase et le neutre. Le point neutre peut également être mis à la terre pour offrir une sécurité supplémentaire si nécessaire : VL-L = √3 x VL-N.
Figure 3 : Schéma de connexion en « étoile ».
Les quatre configurations de bobinage principales
Un transformateur triphasé peut être connecté dans quatre configurations courantes : Delta-Delta, Wye-Wye, Delta-Wye et Wye-Delta. Chaque configuration, distinguée par ses connexions de bobinage primaire et secondaire, comporte des avantages et des inconvénients spécifiques, influençant la performance et l'adéquation de l'application de ces transformateurs.
1. Delta / Delta (D/D)
Avantages D/d
Dans un transformateur delta-delta (identifié comme D/d), les enroulements primaires et secondaires sont tous deux connectés dans la configuration delta. Cette configuration offre plusieurs avantages. Si l'une des trois bobines devient défaillante ou est désactivée, les deux bobines restantes non endommagées peuvent toujours fournir une puissance triphasée avec une capacité égale à environ deux tiers de la sortie d'origine du transformateur. Dans les cas où le secondaire du transformateur est connecté à une charge importante et déséquilibrée, le primaire en delta excelle à fournir un meilleur équilibre de courant pour la source d'alimentation. Un avantage clé est l'absence de tout déphasage entre les enroulements primaires et secondaires, garantissant un transfert d'énergie harmonieux. Cette configuration est souvent préférée pour les applications impliquant une transmission de puissance à basse tension et à courant élevé ou lorsque la continuité du service doit être maintenue, notamment en cas de défaut de phase.
Inconvénients D/d
Dans cette configuration, certaines caractéristiques influencent la conception et la fonctionnalité des transformateurs triphasés. Le nombre élevé de tours pour les enroulements primaire et secondaire entraîne des bobines plus grandes et plus coûteuses. Cette conception nécessite une isolation supplémentaire entre les enroulements et entre les couches. L'utilisation de fil magnétique de calibre plus fin augmente le coût par livre, et notamment, cette configuration ne comporte pas de connexion neutre.
2. Delta / Wye (D/Y)
Avantages/année
La configuration principale delta et secondaire étoile (D/y) se distingue par sa capacité à fournir une charge équilibrée à trois fils à l'unité de production d'électricité, s'adaptant parfaitement à diverses applications. Cette configuration est fréquemment choisie pour alimenter en énergie les secteurs commerciaux, industriels et résidentiels à forte densité. Ce système est capable de fournir des charges triphasées et monophasées et peut créer un neutre commun de sortie lorsque la source est absente. Il supprime efficacement le bruit (harmoniques) de la ligne vers le côté secondaire.
Inconvénients D/y
Si une des trois bobines devient défectueuse ou désactivée, cela peut compromettre la fonctionnalité de l'ensemble du groupe, et le décalage de phase de 30 degrés entre les enroulements primaires et secondaires peut entraîner une ondulation plus importante dans les circuits en courant continu.
3. Étoile / Triangle (Y/D)
Avantages Y/d
La configuration Y/d utilise une entrée haute tension, réduisant la tension à travers les bobines individuelles d'un facteur de √3, ce qui entraîne moins de tours de bobinage et une isolation réduite. Ce design peut être utilisé comme transformateur abaisseur, principalement à la fin de la ligne de transmission. Il inclut également un fil de mise à la terre (neutre) du côté de la source d'alimentation.
Inconvénients Y/d
Y/d partage les mêmes inconvénients potentiels que la configuration D/y : l'ensemble de la fonctionnalité du groupe peut être désactivé en cas de défaillance d'une seule bobine et l'introduction d'un déphasage de 30 degrés entre les enroulements primaire et secondaire peut entraîner une augmentation de l'ondulation dans les circuits en courant continu.
4. Étoile / Étoile (Y/Y)
Avantages Y/y
Parmi les quatre configurations de transformateur triphasé courantes, la configuration Y/y est le choix le plus économique, offrant une transmission d'énergie sans décalage de phase entre les enroulements primaire et secondaire. Les fils de mise à la terre (neutre) sont disponibles des deux côtés, primaire et secondaire, offrant la polyvalence nécessaire pour fournir de l'énergie à des charges triphasées et monophasées.
Désavantages Y/y
Pour garantir des performances optimales, les charges monophasées doivent être équilibrées aussi étroitement que possible dans cette configuration. Il est important de noter que l'installation Y/y peut être plus susceptible de transmettre du bruit entre la source d'alimentation et la charge.
Transformateurs à sec et remplis de liquide
En fonction des niveaux de puissance et de tension, les transformateurs triphasés peuvent être divisés en deux grandes catégories : les transformateurs de type sec qui utilisent l'air comme moyen de refroidissement ou les transformateurs de type à liquide qui utilisent l'huile comme moyen de refroidissement.
Transformateurs de type sec : Cadre ouvert ou bobines en résine coulée
Parmi les transformateurs de type sec, il existe deux grandes catégories :
- Châssis ouvert, avec noyau et bobines imprégnés de résine exposés pour les installations en boîtier avec des caractéristiques électriques de tension – jusqu'à 1000V et de puissance – jusqu'à 500 kVA.
- Bobines en résine moulée, où chaque bobine est solidement moulée, souvent dans un moule en époxy, avec des caractéristiques électriques de tension – jusqu'à 36,0 kV et de puissance – jusqu'à 40 MVA.
Transformateurs remplis de liquide
Les transformateurs remplis de liquide, en revanche, sont entièrement immergés dans une huile minérale spéciale à l'intérieur de conteneurs métalliques hermétiques sous vide, avec des caractéristiques électriques de tension – 6,0 kV à 1 500 kV et de puissance – jusqu'à plus de 1000 MVA.
Image 1 : Types de transformateurs.
Configuration optimale de transformateur à châssis ouvert
Pour les transformateurs à cadre ouvert lorsque les circonstances le permettent, la plupart des industries préfèrent utiliser l'entrée delta et la sortie étoile pour connecter un transformateur triphasé dans les applications de distribution électrique. Les tensions d'entrée les plus courantes pour les configurations delta incluent 600V, 480V, 415V, 400V, 230V, et 208V. Tandis que les tensions de sortie les plus courantes pour les configurations étoile sont les suivantes : Au Canada : 600V (L-L) et 347V (L-N). Pour les grandes charges industrielles aux États-Unis, il délivre 480V (L-L) et 277V (L-N). Dans le cas de petites charges industrielles, commerciales et résidentielles aux États-Unis, les tensions de sortie sont 208V (L-L) et 120V (L-N). Signal Transformer Co. se distingue comme un fabricant de premier plan dans ce domaine, spécialisé dans la production de transformateurs triphasés à cadre ouvert de type sec. Avec plus de 50 ans de fabrication de transformateurs, selfs, inducteurs et produits standards modifiés ou sur mesure, Signal Transformer excelle dans la conception et la fabrication de plateformes spécialisées économiques.
Étiquettes d'article
