Transformateurs
monophasé et triphasé
Electricité

La distribution de l'électricité s'effectue toujours avec du triphasé. Tout comme avec les moteurs triphasés, on a ici un couplage étoile ou triangle, mais avec un couplage supplémentaire: le couplage zig-zag.
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Couplage étoile-étoile avec 4 conducteurs (+ neutre).
Le nombre de conducteurs peut également être indiqué par des barres obliques


Couplage étoile-triangle


Trois transformateurs monophasés en couplage étoile-triangle

Il est important de rappeller que les différentes formes de couplage entre primaire et secondaire ne sont d'application que pour les installations triphasées.

Indication du transformateur

On commence par la notation des transformateurs, notation que vous allez retrouver sur la plaquette signalétique et dans les schémas. Cette notation n'a d'importance que pour les transformateurs qui sont couplés en interne (la connection aux bobinages individuels n'est pas disponible en sortie).
  • Y ou y: couplage étoile
  • D ou d: couplage triangle
  • Z ou z: couplage zig-zag
  • N ou n: sortie du neutre (uniquement étoile ou zig-zag)
On utilise une majuscule pour la tension la plus élevée et une minuscule pour la tension la plus basse et on met toujours la haute tension avant la basse tension, par exemple Dzn. C'est assez logique, puisque un même transformateur peut tout aussi bien augmenter la tension que la réduire.

Si la tension doit être modifiée pendant le fonctionnement, on utilise des variacs (basses puissances), des régulateurs à induction (puissances moyennes) ou des survolteurs-dévilteurs avec régleurs en charge pour les puissances élevées.

Couplage étoile (Wye)

Le montage étoile est plus économique pour les tensions élevées. Il dispose d'une connection neutre qui peut être mise à la masse. Il permet ainsi de placer les changeurs de prises dans l'extrémité basse tension de chaque bobinage. Le changeur de prises permet de légèrement modifier le rapport de transformation.

Ce couplage est par exemple utilisé en sortie de centrale électrique pour produire la très haute tension du réseau de transport à partir de la moyenne tension des générateurs. (voir réseau électrique). Le neutre est mis localement à la terre et n'est pas transmis via les cables, puisqu'il n'y a pas de courant qui y circule en cas de charge balancée, ce qui est pratiquement toujours le cas dans le transport d'électricité.

Couplage triangle (Delta)

Ce montage est plus économique pour les basses tensions (et courants élevés). Il n'y a pas de neutre et la tension par rapport à la masse peut varier s'il n'y pa pas de système de protection pour limiter les variations de la tension par rapport à la masse.

La connection en triangle avec des transformateurs monophasés permet au réseau de continuer à fonctionner à puissance réduite avec deux transformateurs sur trois. Dans le même ordre d'idée, on peut réaliser une installation de transformation avec seulement deux transformateurs monophasés, quand on compte augmenter la puissance par après mais qu'on ne veut pas installer trois transfos dès le début.

Ce montage est utilisé en Amérique pour alimenter les utilisateurs résidentiels en split phase avec high leg. Le neutre est connecté à la prise médiane d'un des bobinages.



Montage zig-zag avec primaire triangle ou étoile.

L'avantage du couplage triangle est également d'application dans d'autres domaines, par exemple les générateurs. Les gros générateurs des centrales électriques doivent travailler à une tension relativement basse (les bobinages ne peuvent pas être plongés dans l'huile) et ont donc un branchement en triangle. Le transformateur éleveur de tension a un couplage triangle (courant élevé) vers étoile (tension élevée).

Couplage triangle-étoile ou étoile-triangle

Pour mieux répartir la charge, on s'arrange souvent pour avoir un montage différent au primaire et secondaire (avec souvent l'étoile au secondaire). Une charge asymmétrique est distribuée sur deux phases, ce qui réduit l'assymétrie. On utilise souvent le couplage triangle-étoile dans le dernier transfo de la chaine de distribution pour équilibrer la charge sur les différentes phases. La présence de l'étoile au secondaire permet de mettre le neutre à la masse.

Même si le nombre de spires est identique (rapport de transformation = 1), le passage d'un montage à l'autre produit une tension 1.7× plus basse (D) ou plus élevée (Y).

Couplage zig-zag

Le montage zig-zag est une forme spéciale du montage étoile. Contrairement aux deux autres systèmes où on peut (en théorie) brancher un bobinage en étoile ou en triangle, le montage zig-zag nécessite un transformateur spécial avec bobinages secondaires doubles.

Il permet d'équilibrer la charge sur les trois conducteurs primaires quand la charge secondaire est asymmétrique. Ce type de montage permet également de réduire les harmoniques causées par les charges non-linéaires: alimentations à commutation, variateurs électroniques de vitesse, etc. Ce type de montage dispose également d'une sortie neutre.

Il est souvent utilisé à la place d'un transformateur à sortie étoile pour alimenter les utilisateurs résidentiels alimentés en monophasé (charge très peu équilibrée). Sa construction plus complexe limite son utilisation aux basses puissances et tensions (puissances inférieures à 250kVA).

Le transformateur zigzag avec un triangle au primaire ne produit pas de déphasage ou un déphasage de 180° (tout comme un transfo triangle-triangle ou étoile-étoile), mais avec l'avantage d'un montage triangle-étoile (réduction des harmoniques et répartition d'une charge asymmétrique sur les phases). L'absence de déphasage est important dans l'interconnection de réseaux.

Prenons un transfo avec au primaire un bobinage cablé en étoile de n spires alimenté en v volts et au secondaire deux bobinages de n/2 spires. A cause du déphasage entre les deux bobinages secondaires, la tension au secondaire ne sera pas v, mais 0.58 × v. On voit ainsi sur le second schéma un transformateur dont les bobinages secondaires produisent 127V. La tension simple est de 220V et la tension composée est de 380V (le schéma date un peu, mais est toujours valable...).

Il faut donc plus de spires pour obtenir une tension donnée, les pertes au cuivre sont donc plus importantes qu'avec un secondaire bobiné en étoile. C'est une raison supplémentaire pour limiter l'utilisation de tels transfos aux puissances moins importantes.

Le couplage zig-zag utilise deux bobinages secondaires avec le même nombre de spires. On trouve également des transformateurs spécifiques où le rapport au secondaire est de 1/3 sur 2/3. Il s'agit de transformateurs utilisés pour fournir du courant polyphasé pour le redressement à 12 impulsions.

Utilisation équilibrée, couplage Dyn
Charge deséquilibrée, couplage Dyn
Charge deséquilibrée, couplage Dzn

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A partir d'une certaine puissance, les groupes électrogènes ont toujours une sortie triphasée et il n'est pas autorisé de n'utiliser qu'une seule phase. Pour brancher une forte charge monophasée, il faut utiliser un branchement spécial appellé dog leg.

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