Transformateurs triphasés

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire l’organisation technologique d’un transformateur triphasé et identifier les différents types de couplage (étoile, triangle, zigzag). - Expliquer la notion d’indice horaire et déterminer le rapport de transformation d’un transformateur triphasé. - Calculer les puissances apparente, active et réactive, le rendement et les pertes, puis interpréter les résultats dans un contexte d’entretien et d’utilisation industrielle. - Citer les domaines d’utilisation courants au Cameroun et distinguer les principaux types de transformateurs triphasés (de puissance, de distribution, de mesure, à sec, immergés). - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène lors de la manipulation, du contrôle et de la maintenance de ces équipements. **Prérequis** : - Notions de base du courant alternatif (tension efficace, courant efficace, facteur de puissance). - Loi d’Ohm et loi des nœuds appliquées aux circuits monophasés. - Concept de puissance (P, Q, S) et de rendement d’une machine électrique. - Lecture de schémas unifilaires et connaissance des symboles électrotechniques usuels. --- ## Introduction contextualisée Dans les installations électriques industrielles du Cameroun (usines de transformation agroalimentaire, mines, centrales hydroélectriques, réseaux de distribution BT/HTA), le transformateur triphasé constitue le cœur de la conversion de tension. Il permet d’adapter la tension du réseau de transport (ex. : 33 kV) aux niveaux requis par les machines (ex. : 400 V) tout en assurant une isolation galvanique et une répartition équilibrée des charges entre les trois phases. Une mauvaise compréhension de son couplage, de son indice horaire ou de son rendement peut entraîner des surcharges, des déséquilibres de phase ou des pannes coûteuses. Ce chapitre vise donc à fournir les repères techniques indispensables pour intervenir en toute sécurité sur ces équipements, conformément aux référentiels du MINESEC/IGE (programme de Première série MEM). --- ## I. Organisation technologique et différents types de couplage ### 1. Structure générale d’un transformateur triphasé Un transformateur triphasé se compose de trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires enroulés autour d’un noyau magnétique commun (souvent en tôles d’acier au silicium). Chaque enroulement est isolé électriquement des autres mais couplé magnétiquement via le noyau. Selon le mode de connexion des enroulements, on obtient différents couplages : | Couplage | Schéma de connexion (primaire/secondaire) | Caractéristiques principales | |----------|-------------------------------------------|------------------------------| | Étoile‑étoile (Y/Y) | Les extrémités des enroulements sont reliées au neutre commun | Présence d’un neutre accessible, adapté aux charges déséquilibrées | | Triangle‑triangle (Δ/Δ) | Les enroulements sont fermés en boucle | Pas de neutre, bonne tolérance aux harmoniques de troisième ordre | | Étoile‑triangle (Y/Δ) | Primaire en étoile, secondaire en triangle | Décalage de phase de 30 °, utilisé pour la réduction du courant d’appel | | Triangle‑étoile (Δ/Y) | Primaire en triangle, secondaire en étoile | Fournit un neutre secondaire, courant d’appel réduit | | Zigzag (interconnexion spéciale) | Enroulements interconnectés pour créer un neutre artificiel | Utilisé pour la mise à la terre ou la suppression des harmoniques de rang 3 | > **>** Le choix du couplage dépend du besoin de neutre, de la tolérance aux harmoniques et de la nécessité d’un décalage angulaire entre primaire et secondaire. ### 2. Règles de connexion et de repérage - Les enroulements sont repérés par les lettres **U, V, W** (primaire) et **u, v, w** (secondaire). - Le sens d’enroulement (horaire ou antihoraire) définit la polarité ; un point (•) indique la borne de même polarité sur les deux enroulements d’une même jambe. - Lors du câblage, respecter les codes de couleur (ex. : brun = L1, noir = L2, gris = L3, bleu = neutre, vert/jaune = terre) conformément à la NF C 15‑100. --- ## II. Indice horaire, rapport de transformation, puissances et rendement ### 1. Indice horaire (vectoriel) L’indice horaire désigne le décalage angulaire entre les tensions primaires et secondaires, exprimé en multiples de 30 ° (un pas d’horloge). Il résulte du type de couplage : - Y/Y ou Δ/Δ → indice horaire **0** (pas de décalage). - Y/Δ → indice horaire **+1** ( avance de 30 °). - Δ/Y → indice horaire **‑1** ( retard de 30 °). - Y/zigzag ou Δ/zigzag → indice horaire **±2** selon la connexion. > **>** L’indice horaire s’écrit sous la forme **hh** (ex. : Yd11 signifie primaire en étoile, secondaire en triangle avec indice horaire 11, soit –30 °). ### 2. Rapport de transformation Le rapport de transformation **a** (ou **k**) se définit comme le rapport des tensions efficaces (ou des nombres de spires) entre primaire et secondaire : \[ a = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}} \] où \(U_{1}\) et \(U_{2}\) sont les tensions ligne‑ligne efficaces, \(N_{1}\) et \(N_{2}\) les nombres de spires par phase. **Exemple chiffré** : Un transformateur de distribution 20 kV/400 V, couplage Y/Y. \[ a = \frac{20\,000\ \text{V}}{400\ \text{V}} = 50 \] Le secondaire comporte donc 1/50 du nombre de spires du primaire. ### 3. Puissances et rendement - Puissance apparente : \(S = \sqrt{3}\,U_{L}\,I_{L}\) (VA) - Puissance active : \(P = S \cos\varphi\) (W) - Puissance réactive : \(Q = S \sin\varphi\) (var) - Rendement : \(\eta = \frac{P_{\text{sortie}}}{P_{\text{entrée}}}\times 100\%\) Les pertes se décomposent en : - Pertes à vide (fer) : \(P_{0}\) (hystérésis + courants de Foucault) - Pertes en charge (cuivre) : \(P_{c} = 3 I^{2} R_{eq}\) **Exemple de calcul de rendement** : Un transformateur 100 kVA, Y/Δ, indice horaire 11, fonctionne à 80 kVA avec un facteur de puissance 0,85. Mesures : \(P_{0}=1,2\ \text{kW}\), \(P_{c}=2,0\ \text{kW}\) à cette charge. \[ P_{\text{sortie}} = 80\ \text{kVA}\times0,85 = 68\ \text{kW} \] \[ P_{\text{entrée}} = P_{\text{sortie}} + P_{0} + P_{c} = 68 + 1,2 + 2,0 = 71,2\ \text{kW} \] \[ \eta = \frac{68}{71,2}\times100\% \approx 95,5\% \] > **>** Un rendement supérieur à 95 % est typique pour un transformateur de puissance bien conçu et correctement chargé (entre 40 % et 80 % de sa puissance nominale). ### 4. Entretien et domaines d’utilisation - **Entretien préventif** : contrôle visuel des isolations, mesure de la résistance d’isolement (≥ 1 MΩ), vérification du serrage des bornes, contrôle du niveau d’huile (pour les transformateurs immergés) et analyse des gaz dissous (DGA) selon la norme IEC 60567. - **Domaines d’utilisation au Cameroun** : - Postes de transformation HTA/BT (33 kV/0,4 kV) dans les réseaux de distribution d’énergie électrique (Eneo, Camwater). - Alimentation des moteurs asynchrones dans les usines de transformation du cacao, du café et du bois. - Fourniture d’éclairage et de prises de courant dans les bâtiments tertiaires (hôpitaux, écoles). - Transformateurs de mesure (TT) dans les postes de comptage d’énergie. > **>** Lors de toute intervention, couper l’alimentation, vérifier l’absence de tension avec un voltmètre calibré, porter des EPI (gants isolants, casque, lunettes de protection) et respecter les consignes de consignation/déconsignation (Lockout/Tagout). --- ## III. Types de transformateurs triphasés et leurs caractéristiques spécifiques | Type | Construction | Refroidissement | Application typique | Particularités | |------|--------------|-----------------|---------------------|----------------| | Transformateur de puissance | Noyau en tôles laminées, enroulements en cuivre ou aluminium | Immergé dans huile minérale (ou huile synthétique) ou à sec (résine époxy) | Postes HTA/BT, centrales hydroélectriques | Gestion de fortes puissances (≥ 1 MVA), bonne capacité de surcharge courte | | Transformateur de distribution | Similar au précédent mais puissance inférieure | Immergé huile ou à sec | Réseaux BT (0,4 kV) alimentant quartiers, industries légères | Souvent équipé d’un répartiteur de charge (tap changer) | | Transformateur de mesure (TT) | Noyau en fer doux, enroulements très peu de spires | À sec (résine) ou immergé | Comptage d’énergie, protection | Précision de classe 0,5 % ou 0,2 %, faible puissance nominale (quelques VA) | | Transformateur à sec | Enroulements encapsulés dans résine époxy ou silicone | Refroidissement naturel ou forcé (ventilateurs) | Environnements sensibles (hôpitaux, data centers) | Aucun risque de fuite d’huile, entretien réduit | | Transformateur immergé (huile) | Enroulements immergés dans huile minérale | Refroidissement par convection naturelle ou forcé (radiateurs, pompes) | Postes de forte puissance, centrales | Nécessite surveillance de l’huile (humidité, acidité, gaz dissous) | | Transformateur à zigzag | Enroulements spéciaux interconnectés pour créer un neutre | Immergé ou à sec | Mise à la terre des systèmes neutres, filtrage des harmoniques de rang 3 | Fournit un neutre même lorsque le primaire est en triangle | > **>** Le choix entre un transformateur immergé et un transformateur à sec dépend principalement du niveau de risque d’incendie, de la nécessité d’entretien et des contraintes environnementales (présence de poussières, d’humidité, de températures élevées). --- ## Synthèse du chapitre - **Organisation technologique** : trois enroulements primaires/secondaires sur un noyau commun ; couplages possibles Y/Y, Δ/Δ, Y/Δ, Δ/Y, zigzag. - **Indice horaire** : décalage de phase entre primaire et secondaire, exprimé en multiples de 30 ° (ex. : Yd11 → –30 °). - **Rapport de transformation** : \(a = U_{1}/U_{2} = N_{1}/N_{2}\). - **Puissances** : \(S = \sqrt{3}U_{L}I_{L}\), \(P = S\cos\varphi\), \(Q = S\sin\varphi\). - **Rendement** : \(\eta = \frac{P_{sortie}}{P_{sortie}+P_{0}+P_{c}}\times100\%\); pertes à vide \(P_{0}\) et pertes en charge \(P_{c}=3I^{2}R_{eq}\). - **Entretien** : contrôle d’isolement, serrage des bornes, niveau/huile, analyse des gaz (DGA). - **Domaines d’utilisation** : postes HTA/BT, alimentation industrielle, éclairage tertiaire, mesure d’énergie. - **Types de transformateurs** : puissance, distribution, mesure, à sec, immergé, zigzag – chacun adapté à une gamme de puissance, un mode de refroidissement et un environnement spécifique. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Couplage | Mode de connexion des enroulements (étoile, triangle, zigzag) d’un transformateur triphasé. | | Indice horaire | Décalage angulaire (en multiples de 30 °) entre les tensions primaires et secondaires, lié au type de couplage. | | Rapport de transformation (a) | Rapport des tensions efficaces (ou des nombres de spires) entre primaire et secondaire. | | Puissance apparente (S) | Produit \(\sqrt{3}U_{L}I_{L}\), exprimé en volt‑ampères (VA). | | Puissance active (P) | Composante utile de S, \(P=S\cos\varphi\), exprimée en watts (W). | | Puissance réactive (Q) | Composante magnétique de S, \(Q=S\sin\varphi\), exprimée en vars. | | Rendement (η) | Rapport puissance utile sur puissance consommée, en pourcentage. | | Pertes à vide (P₀) | Pertes magnétiques (hystérésis + courants de Foucault) mesurées à secondaire ouvert. | | Pertes en charge (P_c) | Pertes joule dans les enroulements, proportionnelles au carré du courant. | | Transformateur à sec | Transformateur dont l’isolation est assurée par une résine époxy ou silicone, sans huile. | | Transformateur immergé | Transformateur dont le noyau et les enroulements sont immergés dans une huile diélectrique. | | Transformateur de mesure (TT) | Transformateur destiné à reproduire fidèlement les grandeurs électriques pour le comptage ou la protection. | | Enroulement | Conducteur enroulé autour du noyau, primaire ou secondaire, destiné à transférer l’énergie magnétique. | | Point (•) | Marque indiquant la borne de même polarité sur les enroulements primaire et secondaire d’une même jambe. | | Tap changeur | Dispositif permettant de varier le rapport de transformation sous charge ou hors charge. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Détermination du rapport de transformation et de l’indice horaire Un transformateur triphasé possède un couplage Y/Δ. La tension ligne‑ligne primaire est de 15 kV et la tension ligne‑ligne secondaire est de 400 V. **Calcul du rapport de transformation** : \[ a = \frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{15\,000\ \text{V}}{400\ \text{V}} = 37,5 \] **Indice horaire** : Pour un couplage Y/Δ, l’indice horaire est **+1** (avance de 30 °). On le note donc **Yd1** (ou Yd11 selon la convention de numérotation des heures). **Réponse** : Rapport de transformation = 37,5 ; indice horaire = +1 (Yd1). ### Exercice 2 – Calcul du rendement à mi‑charge Un transformateur de puissance 500 kVA, couplage Δ/Y, fonctionne à 250 kVA avec un facteur de puissance 0,9. Les pertes à vide mesurées sont 0,8 kW et les pertes en charge à cette charge sont 1,5 kW. **Puissance de sortie** : \[ P_{sortie} = 250\ \text{kVA}\times0,9 = 225\ \text{kW} \] **Puissance d’entrée** : \[ P_{entrée} = P_{sortie} + P_{0} + P_{c} = 225 + 0,8 + 1,5 = 227,3\ \text{kW} \] **Rendement** : \[ \eta = \frac{225}{227,3}\times100\% \approx 99,0\% \] **Interprétation** : Un rendement de 99 % indique un très bon état du transformateur ; les pertes sont faibles relativement à la puissance transmise. ### Exercice 3 – Choix du type de transformateur pour une poste rurale Une localité rurale doit être alimentée à partir d’une ligne HTA de 20 kV. La demande maximale est de 120 kW avec un facteur de puissance moyen de 0,85. Le poste sera installé près d’une école, donc sans risque d’incendie majeur mais avec nécessité d’entretien limité. **Étape 1 – Puissance apparente requise** : \[ S = \frac{P}{\cos\varphi} = \frac{120\ \text{kW}}{0,85} \approx 141\ \text{kVA} \] **Étape 2 – Marge de sécurité** : On choisit un transformateur de 160 kVA (standard). **Étape 3 – Type de refroidissement** : Vu la proximité d’une école et la volonté de limiter l’entretien, un **transformateur à sec** (résine époxy) est préférable. **Étape 4 – Couplage** : Pour fournir un neutre aux prises monophasées de l’école, on opte pour un couplage **Y/Y** (indice horaire 0). **Réponse** : Transformateur à sec, 160 kVA, couplage Y/Y, indice horaire 0, tension primaire 20 kV / secondaire 400 V. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Confondre les indices horaires (ex. : prendre Yd11 pour Yd1) | Décalage de phase non attendu, dysfonctionnement de moteurs sensibles | Toujours vérifier le schéma de couplage et la notation (première lettre = primaire, seconde = secondaire, chiffre = indice horaire). | | 2 | Négliger la mesure de l’isolement avant remise sous tension | Risque de court‑circuit à la mise sous tension, endommagement du matériel | Mesurer la résistance d’isolement (≥ 1 MΩ) avec un mégohmmètre avant chaque mise en marche. | | 3 | Serrer excessivement les bornes de connexion | Déformation des brins, augmentation de la résistance de contact, échauffement local | Utiliser le couple de serrage préconisé par le constructeur (souvent indiqué sur la plaque signalétique). | | 4 | Ouvrir le réservoir d’huile d’un transformateur immergé sans vérifier la pression | Projection d’huile chaude, risque de brûlure et de pollution environnementale | Purger lentement, vérifier l’absence de pression, porter des gants résistants à la chaleur et des lunettes de protection. | | 5 | Utiliser un transformateur à sec dans un environnement très poussiéreux sans filtration | Accumulation de poussière sur les enroulements, dégradation de l’isolation, surchauffe | Installer un filtre à air ou prévoir un nettoyage périodique selon les recommandations du fabricant. | | 6 | Ignorer l’indice horaire lors du parallélisme de deux transformateurs | Courants de circulation importants, surcharge, déclenchement des protections | Vérifier que les transformateurs à mettre en parallèle possèdent le même indice horaire, le même rapport de transformation et la même séquence de phases. | --- *Fin du cours.*