Quels sont les usages des transformateurs avec des groupes de connexion D/Y ?

Dans un transformateur triphasé, un côté de l’enroulement primaire ou secondaire est toujours connecté en configuration triangle. Cela permet d’éviter la présence de composantes harmoniques de rang 3 dans le flux magnétique principal, réduisant ainsi les courants de Foucault et l’échauffement localisé, tout en améliorant le rendement et la fiabilité du transformateur. Pour comprendre le principe, il faut d’abord maîtriser les bases des transformateurs triphasés.

1. Il existe deux types de transformateurs triphasés :

Le premier est le transformateur triphasé de type groupe (Figure 1) :

L’autre est le transformateur triphasé à noyau magnétique (Figure 2) :

Un transformateur triphasé de type groupe est composé de trois transformateurs monophasés dont les enroulements sont connectés pour former un transformateur triphasé. Sa caractéristique est que les circuits électromagnétiques triphasés sont indépendants, et le flux harmonique de rang 3 peut circuler. Les grands transformateurs triphasés utilisent rarement ce type de groupe, il ne sera donc pas abordé plus en détail.

Les transformateurs de puissance de grande taille sont généralement des transformateurs triphasés à noyau magnétique. Leur caractéristique est que les circuits magnétiques triphasés sont interconnectés. Pour le circuit magnétique d’un noyau à trois colonnes, il n’existe pas de chemin direct pour le flux harmonique de rang 3. Par conséquent, le flux harmonique de rang 3 ne peut former une boucle qu’à travers le circuit magnétique de fuite, comme la cuve du transformateur. La cuve est généralement en tôles d’acier, et la présence de flux harmonique de rang 3 provoque un échauffement important.

Chemin du circuit magnétique harmonique de rang 3 dans un transformateur triphasé à noyau magnétique (Figure 3)

2. Formes d’onde de la tension (potentiel), du courant d’excitation et du flux magnétique pour différentes structures de circuit magnétique et de circuit électrique.

2.1 Un courant d’excitation sinusoïdal génère un flux magnétique à sommet plat (Figure 4).

Lorsque le noyau est saturé : quand le flux magnétique est une onde à sommet plat, le courant magnétisant est une onde sinusoïdale.

2.2 Un courant d’excitation à crête génère un flux magnétique sinusoïdal (Figure 5).

Forme d’onde du courant d’excitation à vide.

2.3 Les ondes à sommet plat et à crête peuvent toutes deux être décomposées en onde fondamentale et harmonique de rang 3 (Figure 6).

Forme d’onde de la force électromotrice à vide d’un transformateur triphasé. Lorsque le circuit magnétique est saturé, pour obtenir un flux magnétique sinusoïdal, le courant d’excitation doit être une onde à crête.

Lorsque le circuit magnétique est saturé, si le courant d’excitation est une onde sinusoïdale, le flux magnétique principal est une onde à sommet plat.

3. Après avoir compris les bases ci-dessus, nous procédons à l’analyse. Si les côtés primaire et secondaire sont tous deux connectés en étoile, il n’y a pas de chemin pour l’harmonique de rang 3 du courant. Par conséquent, dans une connexion Y/Y, le courant d’excitation ne peut être qu’un courant sinusoïdal. Ce courant d’excitation sinusoïdal ne peut générer qu’un flux magnétique à sommet plat, qui peut être décomposé en un flux fondamental et un flux harmonique de rang 3.

Ces flux harmoniques de rang 3 dans le champ magnétique principal sont égaux en amplitude et en phase. Ils ne peuvent pas se refermer à travers le noyau et ne peuvent former des boucles que dans le circuit magnétique de fuite, par exemple dans l’huile, les parois de la cuve et la culasse, générant des courants de Foucault, provoquant un échauffement localisé et réduisant le rendement du transformateur.

Par conséquent, les transformateurs triphasés de grande capacité et haute tension ne conviennent pas pour les connexions Y/Y.

En revanche, lorsque les enroulements sont connectés en configuration triangle/Y ou Y/Δ, un chemin de boucle est fourni pour la composante harmonique de rang 3 du courant d’excitation dans la connexion triangle du côté primaire ou secondaire. Ainsi, le courant d’excitation dans l’enroulement connecté en triangle est une onde à crête. Le courant à crête maintient le flux magnétique principal sinusoïdal sans composante harmonique de rang 3.

En particulier lorsque les enroulements sont connectés en Y/Δ, bien que l’harmonique de rang 3 dans le courant d’excitation du côté primaire ne puisse pas passer, un courant circulant harmonique de rang 3 est généré dans la connexion triangle du côté secondaire. Ce courant circulant, combiné au courant d’excitation sinusoïdal du côté primaire, garantit que le flux magnétique principal est sinusoïdal, évitant ainsi l’échauffement localisé causé par les courants de Foucault harmoniques de rang 3.

En résumé, les enroulements primaires ou secondaires d’un transformateur triphasé sont connectés en configuration triangle pour garantir que le flux magnétique principal soit aussi proche que possible d’une onde sinusoïdale, évitant les courants de Foucault et les problèmes d’échauffement causés par les harmoniques de rang 3, améliorant ainsi le rendement et la fiabilité de fonctionnement du transformateur.