Où en sommes-nous? Nous avons vu jusqu à maintenant:

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1 Où en sommes-nous? Nous avons vu jusqu à maintenant: les circuits AC les circuits magnétiques les transformateurs monophasés Les circuits triphasés (équilibrés/déséquilibrés) Les composantes symétriques Au programme aujourd hui: Transformateurs triphasés Exercice intégrateur ELE3400 Transformateurs triphasés 1

2 ELE3400 TRANSFORMATEURS TRIPHASÉS Professeur: Frédéric Sirois 2

3 Généralités Un transformateur monophasé permet de transformer une tension dite «primaire» en une autre tension dite «secondaire» De façon analogue, un transformateur triphasé doit transformer 3 tensions primaires (les 3 phases) en 3 tensions secondaires (ou davantage) Le nombre de possibilités de raccordements est beaucoup plus grand que dans le cas monophasé ELE3400 Transformateurs triphasés 3

4 Comment réaliser un transformateur triphasé? à partir de 3 transformateurs monophasés Communément appelé «banque» de transformateurs monophasés pratique car simple de changer une unité (très utilisé dans les postes à haute tension) avec un circuit magnétique triphasé 3 enroulements primaires + 3 enroulements secondaires sur un même noyau magnétique noyau cuirassé ou à colonnes ELE3400 Transformateurs triphasés 4

5 Transformateur triphasé: construction Noyau triphasé de type cuirassé: Remarque: bobinage central inversé pour réduire le flux dans les jambes verticales du centre Relativement gros, d où moins populaire que le noyau à colonnes ELE3400 Transformateurs triphasés 5

6 Transformateur triphasé: construction Noyau triphasé à colonnes: 3 colonnes (jambes) 5 colonnes (jambes) Le flux s annule dans les culasses inférieures et supérieures Retour du flux par les jambes latérales en cas de déséquilibre (5 colonnes seulement) ELE3400 Transformateurs triphasés 6

7 Types de connexions Principalement 4 topologies de connexion: En étoile (Y) En triangle (D ou Delta) En zig-zag (Z) En T Autres connexions possibles pour des applications plus spécialisées Un transformateur triphasé permet de modifier non seulement la tension, mais aussi la phase, i.e. E l,primaire /E l,secondaire =Me jθ (différent de m=n 1 /N 2!) (ceci sera démontré très bientôt) ELE3400 Transformateurs triphasés 7

8 Convention de notation Lettres (2 ou 3) + nombre (entre 0 et 11) Exemples: Yd11, Dy1, Dz10, Ydy0, etc Lettres utilisées: Y, D, Z, T (ou y, d, z, t) LETTRE MAJUSCULE: primaire (côté source) Lettre(s) minuscule(s): (tertiaire), secondaire (tertiaire toujours au centre) Nombre: principe de l horloge référence de phase à 12h (noté 0) Chaque heure correspond à un saut de ±30 exemples: 11 correspond à correspond à 30 etc ELE3400 Transformateurs triphasés 8

9 Autres points importants Toujours indiquer la polarité des enroulements On peut aussi représenter les enroulements couplés magnétiquement par des rectangles pleins avec la même orientation Exemple: ELE3400 Transformateurs triphasés 9

10 Connexion Dd0 (cas équilibré) E AB =me ab (en phase) si le transformateur est idéal (m=n 1 /N 2 ) Par conséquent, pour une charge équilibrée: E A =me a (en phase) I A =I a /m (en phase), mais I ba =I a / I a I A ELE3400 Transformateurs triphasés 10

11 Vérification de la polarité des enroulements Si la polarité est correcte, le Voltmètre devrait lire 0V (sinon, on lit le double de la tension ligne-ligne!) ELE3400 Transformateurs triphasés 11

12 Utilité de la connexion Dd0 Alimentation de charges triphasées équilibrées de puissance appréciable (principalement applications industrielles) ELE3400 Transformateurs triphasés 12

13 Connexion en V (delta ouvert) La perte d une branche du Delta n empêche pas de continuer d alimenter la charge! La puissance totale du transformateur est cependant diminuée (58% de la puissance triphasée du Dd0) ELE3400 Transformateurs triphasés 13

14 Connexion Dy11 (cas équilibré) E AB =me an et E ab = 3E (m=n 1 /N 2 ) d où: E ab =( 3/m)E E ab =E AB M est le rapport de transformation global du transformateur triphasé (en général, différent de m!) exemples: M=m/ 3 (Dy11) ; M=m (Dd0) Courants: I A =(I a I c )/m (relation générale) I a =M I (régime équilibré) ELE3400 Transformateurs triphasés 14

15 Nuance: M m! «m» représente le rapport des tours entre 2 enroulements couplés magnétiquement (comme dans le cas monophasé) «M»est fonction de «m», mais contient en plus un facteur de proportionnalité qui tient compte du type de connexion C est «M» qui apparaîtra dans le schéma unifilaire, et non «m» ELE3400 Transformateurs triphasés 15

16 Connexion Dy11 (cas équilibré) Attention au déphasage de +30 entre E ab et E AB! ELE3400 Transformateurs triphasés 16

17 Dy11 vs Dy1 (cas équilibré) Dy Renversement des polarités des enroulements au secondaire: Dy ELE3400 Transformateurs triphasés 17

18 Utilité de la connexion Dy Alimentation simultanée de charges monophasées et de charges triphasées à partir d un même réseau triphasé Génération d un système à 4 fils à partir d un système à 3 fils ELE3400 Transformateurs triphasés 18

19 Question éclair Est-il possible de fonctionner en Y ouvert, de façon analogue à la connexion en V (Delta ouvert)? ELE3400 Transformateurs triphasés 19

20 Connexions Yd1 et Yd11 (cas équilibré) E AN =me ab et E AB = 3E (m=n 1 /N 2 ) d où: E ab =E AB /m 30 E ab =E AB 30 avec: M=m 3 Courants: I A =(I a I b )/3m I a =M I 30 (relation générale) (régime équilibré) Yd1 Yd1 30 Yd I N =0 I N = ELE3400 Transformateurs triphasés 20

21 Utilité de la connexion Yd Alimentation de charges triphasées équilibrées de puissance appréciable à partir d un réseau à 4 fils Génération d un système à 3 fils à partir d un système à 4 fils ELE3400 Transformateurs triphasés 21

22 Question éclair Est-il possible de brancher une charge monophasée dans le système Yd? ELE3400 Transformateurs triphasés 22

23 Connexions Yy0 (cas équilibré) Comportement équivalent à 3 transformateurs monophasés indépendants seulement s il existe un fil de neutre au primaire ET au secondaire Notation: Y n y n E AN =me an (m=n 1 /N 2 ) et E ab =E AB /m (en phase) I a =mi A (en phase) ELE3400 Transformateurs triphasés 23

24 Utilité de la connexion Y n y n Alimentation de charges triphasées déséquilibrées ou même de charge monophasées disparates à partir d un circuit triphasé Possibilité d un système à 4 fils au primaire et au secondaire ELE3400 Transformateurs triphasés 24

25 Considérations sur la connexion Y (n) y (n) Potentiels bien définis (pas toujours possible avec un système en D), à la condition de mettre les points de neutre à la terre Possibilité d alimenter des charges déséquilibrées, à condition d avoir un fil de neutre au primaire (relié à celui de la source) pour absorber les déséquilibre de courant ELE3400 Transformateurs triphasés 25

26 Considérations sur la connexion Y (n) y (n) En absence de neutre au primaire, le moindre déséquilibre de charge au secondaire engendre un déplacement important du point de neutre Très néfaste! -E an réduite -Saturation -Effort sur isolation ELE3400 Transformateurs triphasés 26

27 Considérations sur la connexion Y (n) y (n) En absence de neutre au primaire, il est préférable de retirer le fil de neutre au secondaire, de façon à limiter les déséquilibres à des charges ligne-ligne (le déplacement du point de neutre est alors considérablement réduit) ELE3400 Transformateurs triphasés 27

28 Rappel: courant de magnétisation du transformateur Courant de magnétisation réel (régime permanent): au lieu de: ELE3400 Transformateurs triphasés 28

29 Rappel: courant de magnétisation du transformateur Le courant magnétisant est déformé en raison d une saturation partielle du circuit magnétique La forme prononcée du coude fait en sorte qu une légère saturation peut engendrer des déformations importantes Le courant de magnétisation total comprend non seulement cette composante distordue, mais aussi une composante résistive: les pertes par courants de Foucault C est ce qui explique la différence d allure entre la courbe de cette page et celle de la page suivante ELE3400 Transformateurs triphasés 29

30 Rappel: courant de magnétisation du transformateur Courant de magnétisation: cas réel ELE3400 Transformateurs triphasés 30

31 Courant de magnétisation dans le cas de la connexion Yy Sans neutre, la connexion Yy engendre un courant de magnétisation sans harmoniques d ordre 3 (séquence homopolaire), ce qui déforme les tensions phase-neutre (les tensions ligne-ligne demeurent sinusoïdales puisqu elles sont imposées par la source) ELE3400 Transformateurs triphasés 31

32 Connexion Ydy (n) Cette configuration (3 enroulements par phase) élimine toute les difficultés rencontrées avec la connexion Y (n) y (n) Le triangle central (aucune borne de raccordement externe!) permet «d absorber en partie» le déséquilibre (il agit comme «court-circuit» pour la séquence homopolaire) ELE3400 Transformateurs triphasés 32

33 Connexions zigzag (Yz ou Dz) Configuration à 3 enroulements par phase, dont 2 servent à constituer le secondaire (reliés en polarité soustractive) ELE3400 Transformateurs triphasés 33

34 Connexions zigzag (Yz ou Dz) Exemple de branchement physique (notez que les enroulements de polarité inverse sont bobinés en sens inverse dans ce cas particulier): Chemin du courant homopolaire dans un transformateur en zigzag: aucun courant n apparaît au primaire! Application: transformateur de mise à la terre! ELE3400 Transformateurs triphasés 34

35 Connexions Dz0 et Dz10 E ab =E AB avec M=m/3 I A =(2I a I b I c )/m Dz0 0 Hypothèse: nombre de tours du secondaire et du tertiaire identiques E ab =E AB avec M=m/3 Dz I A =(I a +I b 2I c )/m ELE3400 Transformateurs triphasés 35

36 Utilité de la connexion Dz Alimentation de charges triphasées déséquilibrées ou même de charge monophasées disparates à partir d un circuit triphasé à 3 fils Alimentation de redresseurs triphasés mono-alternance (le zigzag est peu sensible à la composante continue du courant, qui fait saturer le circuit magnétique des autres types de transformateurs) ELE3400 Transformateurs triphasés 36

37 Connexion Dz généralisée En utilisant un nombre de tours différent au secondaire et au tertiaire (m 12 =N 1 /N 2, m 13 =N 1 /N 3 ), on peut générer un déphasage quelconque entre le primaire et le secondaire (démonstration au tableau) ELE3400 Transformateurs triphasés 37

38 Connexion Yz Peu utilisée car engendre les mêmes problèmes que la connexion Yy ELE3400 Transformateurs triphasés 38

39 Connexion Scott Permet de générer un système diphasé à partir d un système triphasé (détails dans le livre) ELE3400 Transformateurs triphasés 39

40 Connexion en T (Tt11, Tt1 et Tt0) Permet d effectuer une transformation triphasée à l aide de seulement 2 transformateurs monophasés indépendants Peut alimenter tout type de charge (3 ou 4 fils, charge équilibrée ou non) Un branchement au 2/3 de l enroulement secondaire donne un fil de neutre Mais: impédances non identiques sur chacune des phases! Tt ELE3400 Transformateurs triphasés 40

41 Connexion en T (Tt11, Tt1 et Tt0) Autres variantes de connexions en T: Tt1 Tt ELE3400 Transformateurs triphasés 41

42 Transformateur de mise à la terre Transformateur qui permet de sortir un 4 ième fil à partir d un système à 3 fils Le 4 ième fil (le neutre) peut porter la composante homopolaire du déséquilibre de courant de charge ELE3400 Transformateurs triphasés 42

43 Circuit équivalent d un transformateur triphasé et schéma unifilaire On répète simplement le modèle monophasé 3 fois (indépendamment du type de connexion!), ce qui permet par la suite de passer directement au schéma unifilaire À ce circuit il faut ajouter le transformateur idéal avec un rapport de transformation M (et non m!), ainsi que le déphasage (si requis) Impédances identiques sur les 3 phases (sauf pour les connexions en V et en T) Les essais en circuit ouvert et en courtcircuit s appliquent toujours (mais cette fois avec une source triphasée) ELE3400 Transformateurs triphasés 43

44 Sommaire des connexions ELE3400 Transformateurs triphasés 44

45 Sommaire des connexions Conn. M=? Dd m Dy m/ 3 Yd 3m Yy m Dz m/ ELE3400 Transformateurs triphasés 45

46 Exercice intégrateur Vous avez accès à un réseau triphasé alimenté à 4000V, 60Hz (l impédance de source est négligeable) Vous voulez alimenter une charge triphasée équilibrée dont la tension nominale est de 230V, raccordée en Triangle, dont Z=1+j0,8 Ω par phase Vous disposez de 3 unités monophasées de transformateurs de 50kVA, 2300/230V, 60Hz, Z=3%, X eq /R eq =10 Questions: Quelle est la puissance nominale de la charge et son facteur de puissance? S agit-il d une charge inductive ou capacitive? Quel type de connexion de transformateurs permet de concevoir l alimentation désirée? Réalisez le schéma unifilaire de ce montage (source, transformateur et charge). Négligez la branche de magnétisation. Solutionnez ce circuit et déterminez la chute de tension dans le transformateur (en Volts et en % de la tension nominale) ELE3400 Transformateurs triphasés 46

47 Références R.-P. Bouchard et G. Olivier, Électrotechnique, 2 ième édition, Presses Internationales Polytechnique, Montréal, ELE3400 Transformateurs triphasés 47