Un système électrique triphasé est utilisé pour générer et transmettre de l’énergie électrique sur de longues distances pour les bureaux et l’industrie. Les tensions (et les courants) triphasés sont augmentés ou réduits grâce à des transformateurs triphasés, car ceux-ci peuvent avoir leurs enroulements connectés de différentes manières.

Jusqu’à présent, nous avons examiné la construction et le fonctionnement des transformateurs de tension monophasés à deux enroulements, qui peuvent être utilisés pour augmenter ou diminuer leur tension secondaire par rapport à la tension d’alimentation primaire. Cependant, des transformateurs de tension peuvent également être construits pour être reliés non seulement à une seule phase, mais aussi à deux phases, trois phases, six phases et même à des combinaisons élaborées jusqu’à 24 phases pour certains transformateurs de redressement DC.

Si nous prenons trois transformateurs monophasés et que nous connectons leurs enroulements primaires entre eux et leurs enroulements secondaires entre eux dans une configuration fixe, nous pouvons utiliser les transformateurs sur une alimentation triphasée.

Les alimentations triphasées, également écrites comme 3-phases ou 3φ, sont utilisées pour la production, la transmission et la distribution d’énergie électrique, ainsi que pour toutes les utilisations industrielles. Les alimentations triphasées présentent de nombreux avantages électriques par rapport à l’alimentation monophasée, et lorsqu’il s’agit de transformateurs triphasés, nous devons traiter trois tensions et courants alternatifs qui diffèrent dans le temps de phase de 120 degrés, comme montré ci-dessous.

Tensions et Courants Triphasés

Où : V_L est la tension entre lignes, et V_P est la tension phase-neutre.

Un transformateur ne peut pas agir comme un dispositif de changement de phase et transformer une phase monophasée en triphasée ou inversement. Pour rendre les connexions du transformateur compatibles avec les alimentations triphasées, nous devons les connecter d’une manière particulière pour former une Configuration de Transformateur Triphasé.

Un transformateur triphasé ou 3φ peut être construit en connectant ensemble trois transformateurs monophasés, formant ainsi une soi-disant banque de transformateurs triphasés, ou en utilisant un transformateur triphasé préassemblé et équilibré comprenant trois paires d’enroulements monophasés montés sur un seul noyau laminated.

Les avantages de construire un seul transformateur triphasé sont qu’il sera plus petit, moins cher et plus léger que trois transformateurs monophasés individuels connectés ensemble, car le cuivre et le noyau en fer sont utilisés de manière plus efficace. Les méthodes de connexion des enroulements primaires et secondaires sont les mêmes, que l’on utilise un seul Transformateur Triphasé ou trois séparés Transformateurs Monophasés. Considérez le circuit ci-dessous :

Connexions du Transformateur Triphasé

Les enroulements primaire et secondaire d’un transformateur peuvent être connectés dans différentes configurations comme indiqué pour répondre pratiquement à toute exigence. Dans le cas des enroulements de transformateurs triphasés, trois formes de connexion sont possibles : “étoile” (Y), “triangle” (Δ) et “étoile-interconnectée” (zig-zag).

Les combinaisons des trois enroulements peuvent être avec le primaire connecté en triangle et le secondaire en étoile, ou étoile-triangle, étoile-étoile ou triangle-triangle, en fonction de l’utilisation des transformateurs. Lorsque des transformateurs sont utilisés pour fournir trois phases ou plus, ils sont généralement appelés Transformateur Polyphasé.

Configurations Étoile et Delta des Transformateurs Triphasés

Mais que signifie “étoile” (également connue sous le nom de Y) et “triangle” (également connue sous le nom de Δ) lorsque nous traitons des connexions de transformateurs triphasés ? Un transformateur triphasé a trois ensembles d’enroulements primaires et secondaires. En fonction de la manière dont ces ensembles d’enroulements sont interconnectés, cela détermine si la connexion est une configuration en étoile ou en triangle.

Les trois tensions disponibles, qui sont chacune déphasées de 120 degrés électriques les unes par rapport aux autres, déterminent non seulement le type de connexions électriques utilisées des deux côtés, primaire et secondaire, mais influencent également le flux de courant dans les transformateurs.

Avec trois transformateurs monophasés connectés ensemble, les flux magnétiques dans les trois transformateurs diffèrent en phase de 120 degrés de temps. Avec un transformateur triphasé unique, il existe trois flux magnétiques dans le noyau qui diffèrent en phase de temps de 120 degrés.

La méthode standard pour marquer les enroulements de transformateurs triphasés est de labelliser les trois enroulements primaires avec des lettres capitales A, B et C, utilisées pour représenter les trois phases individuelles de ROUGE, JAUNE et BLEU. Les enroulements secondaires sont étiquetés avec des lettres minuscules a, b et c. Chaque enroulement a deux extrémités normalement étiquetées 1 et 2 de sorte que, par exemple, le deuxième enroulement du primaire aura des extrémités qui seront étiquetées B1 et B2, tandis que le troisième enroulement du secondaire sera étiqueté c1 et c2 comme montré.

Configurations Étoile et Delta des Transformateurs

Des symboles sont généralement utilisés sur un transformateur triphasé pour indiquer le type ou les types de connexions utilisés avec une majuscule Y pour la connexion en étoile, D pour la connexion en triangle et Z pour les enroulements primaires interconnectés en étoile, avec des minuscules y, d et z pour leurs respectifs secondaires.

Ensuite, l’étoile-étoile serait étiquetée Yy, triangle-triangle serait étiquetée Dd et étoile interconnectée à étoile interconnectée serait Zz pour les mêmes types de transformateurs connectés.

Identification des Enroulements du Transformateur

Nous savons maintenant qu’il existe quatre manières différentes de connecter trois transformateurs monophasés ensemble entre leurs circuits triphasés primaires et secondaires. Ces quatre configurations standard sont : triangle-triangle (Dd), étoile-étoile (Yy), étoile-triangle (Yd) et triangle-étoile (Dy).

Les transformateurs pour le fonctionnement à haute tension avec les connexions étoile ont l’avantage de réduire la tension sur un transformateur individuel, ce qui réduit le nombre de tours nécessaires et augmente la taille des conducteurs, rendant les enroulements de bobines plus faciles et moins chers à isoler que les transformateurs en triangle.

La connexion triangle-triangle a néanmoins un grand avantage sur la configuration étoile-triangle, en ce sens que si un transformateur d’un groupe de trois venait à tomber en panne ou à être désactivé, les deux autres continueront à fournir une alimentation triphasée avec une capacité égale à environ les deux tiers de la sortie originale de l’unité transformateur.

Connexions Triangle et Triangle du Transformateur

Dans un groupe de transformateurs connectés en triangle (ΔΔ), la tension de ligne, V_L est égale à la tension d’alimentation, V_L = V_S. Mais le courant dans chaque enroulement de phase est donné par : 1/√3 × I_L du courant de ligne, où I_L est le courant de ligne.

Un inconvénient des transformateurs triphasés connectés en triangle est que chaque transformateur doit être enroulé pour la tension de ligne complète, (dans notre exemple ci-dessus 100V) et pour 57,7 % du courant de ligne. Le plus grand nombre de tours dans l’enroulement, associé à l’isolation entre les tours, nécessite une bobine plus grande et plus coûteuse que celle d’une connexion en étoile.

Un autre inconvénient avec les transformateurs triphasés connectés en triangle est qu’il n’existe pas de “neutre” ou de connexion commune.

Dans l’arrangement étoile-étoile (YY), (Y-Y), chaque transformateur a une borne connectée à un point de jonction commun, ou point neutre, les trois extrémités restantes des enroulements primaires étant connectées à l’alimentation triphasée. Le nombre de tours dans un enroulement de transformateur pour la connexion en étoile est de 57,7 % de celui requis pour la connexion en triangle.

La connexion en étoile nécessite l’utilisation de trois transformateurs, et si l’un quelconque d’entre eux tombe en panne ou est désactivé, le groupe entier pourrait devenir désactivé. Néanmoins, le transformateur triphasé connecté en étoile est particulièrement pratique et économique dans les systèmes de distribution d’énergie électrique, car un quatrième fil peut être connecté comme point neutre ( n ) des trois secondaires connectés en étoile comme montré.

Connexions Étoile et Étoile du Transformateur

La tension entre n’importe quelle ligne du transformateur triphasé est appelée la “tension de ligne”, V_L, tandis que la tension entre n’importe quelle ligne et le point neutre d’un transformateur connecté en étoile est appelée la “tension de phase”, V_P. Cette tension phase entre le point neutre et l’une des connexions de ligne est 1/√3 × V_L de la tension de ligne. Ensuite, ci-dessus, la tension de phase du côté primaire, V_P est donnée comme suit.

Le courant secondaire dans chaque phase d’un groupe de transformateurs connectés en étoile est le même que celui du courant de ligne de l’alimentation, donc I_L = I_S.

Ensuite, la relation entre les tensions et courants de ligne et de phase dans un système triphasé peut être résumée comme suit :

Tension et Courant Triphasés

Où encore, V_L est la tension entre lignes, et V_P est la tension phase-neutre sur soit le côté primaire ou le côté secondaire.

D’autres connexions possibles pour les transformateurs triphasés sont étoile-triangle (Yd), où l’enroulement primaire est connecté en étoile et le secondaire en triangle, ou triangle-étoile (Dy) avec un primaire connecté en triangle et un secondaire connecté en étoile.

Les transformateurs connectés en triangle-étoile sont largement utilisés dans la distribution à faible puissance avec les enroulements primaires fournissant une charge équilibrée à trois fils à la compagnie d’électricité, tandis que les enroulements secondaires fournissent la connexion neutre ou terre requise avec un quatrième fil.

Lorsque les côtés primaire et secondaire ont différents types de connexions d’enroulement, étoile ou triangle, le rapport global de tours du transformateur devient plus compliqué. Si un transformateur triphasé est connecté en triangle-triangle (Dd) ou étoile-étoile (Yy), alors le transformateur pourrait potentiellement avoir un rapport de 1:1. C’est-à-dire que les tensions d’entrée et de sortie pour les enroulements sont identiques.

Cependant, si le transformateur triphasé est connecté en étoile-triangle (Yd), chaque enroulement primaire connecté en étoile recevra la tension de phase, V_P de l’alimentation, qui est égale à 1/√3 × V_L.

Alors chaque enroulement secondaire correspondant aura cette même tension induite en elle, et puisque ces enroulements sont connectés en triangle, la tension 1/√3 × V_L deviendra la tension de ligne secondaire. Avec un rapport de 1:1, un transformateur connecté en étoile-triangle fournira un rapport de tension de ligne réduit de √3 :1.

Ainsi, pour un transformateur connecté en étoile-triangle (Yd), le rapport des tours devient :

Rapport de Tours Étoile-Triangle

De même, pour un transformateur connecté triangle-étoile (Dy), avec un rapport de 1:1, le transformateur fournira un rapport de tension de ligne augmenté de 1:√3. Alors pour un transformateur connecté triangle-étoile, le rapport des tours devient :

Rapport de Tours Triangle-Étoile

Afin de résumer les quatre configurations de base d’un transformateur triphasé, nous pouvons lister les tensions et courants secondaires des transformateurs par rapport à la tension de ligne primaire, V_L et son courant de ligne primaire I_L comme indiqué dans le tableau suivant.

Tension et Courant de Ligne des Transformateurs Triphasés

Configuration Primaire-Secondaire	Tension de Ligne Primaire ou Secondaire	Courant de Ligne Primaire ou Secondaire
Triangle – Triangle
Triangle – Étoile
Étoile – Triangle
Étoile – Étoile

Où :   n égale le “rapport de tours” (T.R.) du nombre d’enroulements secondaires N_S, divisé par le nombre d’enroulements primaires N_P. ( N_S/N_P ) et V_L est la tension entre lignes avec V_P étant la tension phase-neutre.

Exemple de Transformateur Triphasé

L’enroulement primaire d’un transformateur connecté en triangle-étoile (Dy) de 50 VA est alimenté par une alimentation triphasée de 100 volts, 50Hz. Si le transformateur a 500 tours sur le primaire et 100 tours sur l’enroulement secondaire, calculez les tensions et courants du côté secondaire.

Données fournies : puissance nominale du transformateur de 50 VA, tension de ligne d’alimentation de 100 V, tours primaires 500, tours secondaires 100.

Le côté secondaire du transformateur fournit une tension de ligne, V_LINE d’environ 35 V, donnant une tension de phase secondaire, V_PHASE de 20 V à 0,834 ampères.

Construction du Transformateur Triphasé

Nous avons précédemment indiqué que le transformateur triphasé est effectivement trois transformateurs monophasés interconnectés sur un seul noyau laminated, et d’importantes économies de coût, de taille et de poids peuvent être réalisées en combinant les trois enroulements sur un seul circuit magnétique comme montré.

Un transformateur triphasé a généralement trois circuits magnétiques qui s’entrelacent pour donner une distribution uniforme du flux diélectrique entre les enroulements de haute et de basse tension. L’exception à cette règle est un transformateur de type coque triphasée. Dans le mécanisme de type coque, même si les trois noyaux sont ensemble, ils ne sont pas entrelacés.

Construction du Transformateur Triphasé

Le transformateur de type coquille à trois branches est la méthode la plus courante de construction de transformateurs triphasés permettant aux phases d’être liées magnétiquement. Le flux de chaque branche utilise les deux autres branches comme chemin de retour avec les trois flux magnétiques dans le noyau générés par les tensions de ligne différant en phase de temps de 120 degrés. Ainsi, le flux dans le noyau reste presque sinusoïdal, produisant une tension de sortie secondaire sinusoïdale.

La construction de transformateurs de type coquille à cinq branches est plus lourde et plus coûteuse à construire que celle de type noyau. Les noyaux à cinq branches sont généralement utilisés pour de très gros transformateurs de puissance car ils peuvent être fabriqués avec une hauteur réduite. Les matériaux du noyau des transformateurs à coquille, les enroulements électriques, l’enveloppe en acier et le refroidissement sont en grande partie les mêmes que pour les types monophasés plus grands.