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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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 1 ELE3400 TRANSFORMATEURS TRIPHASÉS 2007-10-19 Professeur: Frédéric Sirois 2 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 3 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 4 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 5 Transformateur triphasé: construction Noyau triphasé à colonnes: 5 colonnes (jambes) 3 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) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 6 Types de connexions Principalement 4 topologies de connexion: En En En En étoile (Y) triangle (D ou Delta) zig-zag (Z) 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. El,primaire/El,secondaire=Mejθ (différent de m=N1/N2!) (ceci sera démontré très bientôt) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 7 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 +30° 1 correspond à –30° etc… 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 8 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: 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 9 Connexion Dd0 (cas équilibré) EAB=mEab (en phase) si le transformateur est idéal (m=N1/N2) Par conséquent, pour une charge équilibrée: EA=mEa (en phase) IA=Ia/m (en phase), mais Iba=Ia/√3 @+30° Ia IA 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 10 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!) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 11 Utilité de la connexion Dd0 Alimentation de charges triphasées équilibrées de puissance appréciable (principalement applications industrielles) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 12 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) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 13 Connexion Dy11 (cas équilibré) EAB=mEan et Eab=√3Ean @+30° (m=N1/N2) d’où: Eab=(√3/m)EAB @+30° Î Eab=EAB/M @+30° M est le rapport de transformation global du transformateur triphasé (en général, différent de m!) exemples: M=m/√3 (Dy11) ; M=m (Dd0) Courants: IA=(Ia–Ic)/m (relation générale) Ia=M IA @+30° (régime équilibré) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 14 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 » 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 15 Connexion Dy11 (cas équilibré) Attention au déphasage de +30° entre Eab et EAB! 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 16 Dy11 vs Dy1 (cas équilibré) Dy11 +30° Renversement des polarités des enroulements au secondaire: Dy1 –30° 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 17 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 18 Question éclair… Est-il possible de fonctionner en Y ouvert, de façon analogue à la connexion en V (Delta ouvert)? 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 19 Connexions Yd1 et Yd11 (cas équilibré) EAN=mEab et EAB=√3EAN @+30° (m=N1/N2) d’où: Eab=EAB/m√3 @–30° Î Eab=EAB/M @–30° avec: M=m√3 Courants: IA=(Ia–Ib)/3m Ia=M IA @–30° (relation générale) (régime équilibré) Yd1 Yd11 +30° –30° IN=0 2007-10-19 Yd1 IN=0 ELE3400 – Transformateurs triphasés 20 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 21 Question éclair… Est-il possible de brancher une charge monophasée dans le système Yd? 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 22 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: Ynyn EAN=mEan (m=N1/N2) et Eab=EAB/m (en phase) Ia=mIA (en phase) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 23 Utilité de la connexion Ynyn 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 24 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 25 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 -Ean réduite -Saturation Î Très néfaste! -Effort sur isolation 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 26 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) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 27 Rappel: courant de magnétisation du transformateur Courant de magnétisation réel (régime permanent): au lieu de: 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 28 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 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 29 Rappel: courant de magnétisation du transformateur Courant de magnétisation: cas réel 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 30 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) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 31 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) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 32 Connexions zigzag (Yz ou Dz) Configuration à 3 enroulements par phase, dont 2 servent à constituer le secondaire (reliés en polarité soustractive) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 33 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! 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 34 Connexions Dz0 et Dz10 Eab=EAB/M @0° avec M=m/3 IA=(2Ia–Ib–Ic)/m Dz0 0° Hypothèse: nombre de tours du secondaire et du tertiaire identiques Eab=EAB/M @+60° avec M=m/3 Dz10 +60° 2007-10-19 IA=(Ia+Ib–2Ic)/m ELE3400 – Transformateurs triphasés 35 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) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 36 Connexion Dz généralisée En utilisant un nombre de tours différent au secondaire et au tertiaire (m12=N1/N2, m13=N1/N3), on peut générer un déphasage quelconque entre le primaire et le secondaire (démonstration au tableau) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 37 Connexion Yz Peu utilisée car engendre les mêmes problèmes que la connexion Yy 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 38 Connexion Scott Permet de générer un système diphasé à partir d’un système triphasé (détails dans le livre) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 39 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! Tt11 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 40 Connexion en T (Tt11, Tt1 et Tt0) Autres variantes de connexions en T: Tt1 2007-10-19 Tt0 ELE3400 – Transformateurs triphasés 41 Transformateur de mise à la terre Transformateur qui permet de sortir un 4ième fil à partir d’un système à 3 fils Le 4ième fil (le neutre) peut porter la composante homopolaire du déséquilibre de courant de charge 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 42 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) 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 43 Sommaire des connexions 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 44 Sommaire des connexions Conn. Dd Dy Yd Yy Dz 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés M=? m m/√3 √3m m m/3 45 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%, Xeq/Req=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). 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 46 Références R.-P. Bouchard et G. Olivier, Électrotechnique, 2ième édition, Presses Internationales Polytechnique, Montréal, 1999. 2007-10-19 ELE3400 – Transformateurs triphasés 47