Les transformateurs de puissance font partie des composants clés des réseaux électriques en courant alternatif. Ceux-ci sont en pratique triphasés. Les enroulements des transformateurs, qu'ils se trouvent dans une même cuve dans le cas d'un transformateur triphasé ou répartis dans , peuvent être connectés de différentes manières entre eux et aux trois phases du réseau. Ces différentes connexions sont appelées couplage en anglais et en allemand. Les trois couplages possibles sont celui en étoile, en triangle et en zigzag. Le couplage du transformateur représente la combinaison du couplage du côté primaire, du côté secondaire voire du côté tertiaire. Un couplage de transformateur est exprimé en commençant par celui du primaire. Si le primaire est en étoile et le secondaire en triangle, cela donne donc un couplage étoile-triangle. Les couplages se différencient vis-à-vis de la tension et au courant qu'ont à supporter les enroulements, à la présence ou non d'un point de neutre et à leur impédance homopolaire. Cette dernière peut être choisie élevée afin de limiter les courants de court-circuit asymétrique ou bas afin de limiter la surtension dans les phases saines lors de défauts asymétrique. Une solution pour réduire l'impédance homopolaire est l'ajout d'un troisième enroulement connecté en triangle qui de plus symétrise les courants de court-circuit. thumb|upright=1.5|Couplage étoile-triangle Description Connexion étoile Dans la connexion étoile chaque enroulement de phase d'un transformateur triphasé est connecté à un point commun (point neutre) qui peut être mis ou non à la terre. L'autre extrémité étant reliée à la borne de ligne correspondanteCEI 60076-1, clause 3.10.1, version 2011. La tension aux bornes des bobines est la tension entre phases divisée par . Le courant traversant les bobines est le courant de ligne. Elle est représentée par la lettre Y.

Connexion triangle Dans la connexion triangle, la connexion des enroulements de phase d'un transformateur triphasé est effectuée de manière à réaliser un circuit ferméCEI 60076-1, clause 3.10.2, version 2011. La tension aux bornes des bobines est la tension entre phases. Le courant traversant les bobines est le courant de ligne divisé par . Elle est représentée par la lettre D ou Δ. Il ne peut pas être mis à la terre.

Connexion zigzag Connexion des enroulements consistant en deux sections d'enroulement, la première section étant connectée en étoile et la seconde en série entre la première section et les bornes de ligne : les deux sections sont disposées de telle sorte que chaque phase de la deuxième section soit enroulée sur une colonne du transformateur différente de celle de la première section à laquelle elle est connectéeCEI 60076-1, clause 3.10.4, version 2011. Elle est représentée par la lettre Z. Elle combine certains des avantages des connexions étoiles et triangle. Ainsi, elle peut être mise à la terre de la même manière que les connexion étoiles.

Comme la connexion en triangle, la connexion zigzag supprime les harmoniques de rang 3. Comme la connexion étoile, il offre un point de neutre et donc une impédance homopolaire non-infinie. Parmi ses défauts, il est relativement complexe à construire.

Symbole de couplage Le primaire du transformateur est connecté selon une connexion, tout comme le secondaire, la combinaison des deux est le couplage du transformateur. Le symbole de couplage indique les modes de connexions des enroulements et déphasages relatifs, exprimés par une combinaison de lettres et du ou des indices horaires. La majuscule représente la haute tension du transformateur. La minuscule représente la basse tension du transformateur. Le « n » représente le neutre sorti au secondaire (couplage étoile ou zig-zag). L'indice de couplage est complété par un « indice horaire » qui donne, par pas de , le déphasage horaire en de tour (comme sur une montre) entre le primaire et le secondaire du transformateur (exemple : 11 = 11× = en sens horaire ou en sens anti-horaire).

Par exemple, un indice de couplage « Dyn11 » définit donc un transformateur dont : le système triphasé de tension élevée est en « triangle » ; le système triphasé de tension basse est en « étoile » avec neutre sorti (indiqué par le « n ») ; le décalage entre les deux systèmes est de (= –  ou bien 11×).

Les couplages les plus utilisés en Allemagne sont : YNy0, Yzn5, YNd5, YNd11, Dyn5.

Comparatif La connexion étoile a les avantages suivantsCEI 60076-8, clause 2.1.1, version 1997 : plus économique pour les transformateurs de haute tension a un point de neutre disponible permet la mise à la terre directe ou la mise à la terre à travers une impédance permet de réduire le niveau d'isolation du neutre (isolation graduée) permet de loger les prises d'enroulement et les changeurs de prises à l'extrémité neutre de chaque phase

La connexion triangle a les avantages suivantsCEI 60076-8, clause 2.1.2, version 1997: plus économique pour un enroulement à courant fort et à basse tension combiné avec un enroulement à couplage étoile, réduit l'impédance homopolaire dans cet enroulement si la connexion est réalisée à l'aide de transformateur monophasé, en cas de perte d'une unité, les deux autres phases peuvent continuer à transmettre de la puissance. Et les désavantages suivants : absence de neutre en cas de surtension transitoire, l'absence de neutre fait que les tensions dans les différents enroulements ne sont pas égales. La tension phase neutre peut devenir particulièrement élevé. Il faut donc augmenter les distances d'isolement en conséquence, ce qui entraîne un surcoût. Pour ces raisons, les enroulements triangle sont généralement limités à des systèmes ayant une tension maximale phase à -phase inférieure à .

La connexion en zigzag a les avantages suivantsCEI 60076-8, clause 2.1.3, version 1997 : Peut recevoir une charge de courant de neutre avec une basse impédance homopolaire inhérente réduit le déséquilibre de tension dans les réseaux où la charge n'est pas répartie également entre les phases.

Utilisations Les avantages et les défauts des différents couplages conditionnent leurs utilisations. Pour les grands transformateurs dans le réseau très haute tension le couplage YNyn0 ou YNyd5 est souvent utilisé pour limiter le besoin en isolation des transformateurs à cause de la haute tension d'une part et fournir une mise à la terre de faible impédance d'autre part. Pour les transformateurs reliant le réseau très haute tension à la moyenne tension, un couplage Yy0 est adapté pour les mêmes raisons que précédemment. De plus les réseaux haute tension ne présentent normalement peu de dissymétrie : il n'est pas nécessaire de les compenser avec un enroulement triangle. Le couplage Yz5 est utilisé pour les transformateurs de distribution électrique d'une puissance inférieure à . Les propriétés de rééquilibrage de la tension sont en effet très utile dans un réseau de distribution où les charges ne sont pas forcément également réparties entre les différentes phases (les particuliers sont connectés en monophasé). Le couplage Dy5 est utilisé pour les transformateurs de distribution électrique d'une puissance supérieure à . L'économie de cuivre par rapport au couplage Yz5 devient alors intéressante, un Dz5 serait difficile pour les petites puissantes car le diamètre du câble des enroulements deviendrait trop faible. Pour les transformateurs associés à des moteurs un couplage Yd5 est privilégié, tout comme pour la connexion des générateurs électriques des centrales électriques : du côté où le courant est fort on connecte en delta pour le réduire, côté haute-tension on connecte en étoile pour la réduire. Les transformateurs alimentant le réseau auxiliaire d'une centrale électrique peuvent être connectés en étoile-étoile, étoile-triangle ou triangle-triangle. Ce dernier est privilégié pour les grandes puissances. La faible taille de ce type de réseau n'impose pas de mettre à la terre les transformateurs.

Impédance homopolaire Introduction Transformation de Fortescue

La transformation de Fortescue est utilisée afin de simplifier l'analyse des systèmes électriques triphasées déséquilibrés. Elle décompose un système triphasée en: un système équilibré direct dont les grandeurs sont notées d'un indice d ; un système équilibré inverse dont les grandeurs sont notées d'un indice i ; un système de tension homopolaire dont les grandeurs sont notées d'un indice 0 La composante homopolaire de la tension et du courant d'un système triphasé (a, b et c) se calcule grâce à la matrice de Fortescue:

Où a est un nombre complexe de module 1 et d'argument : . Ainsi pour un système équilibré:

La transformation de Fortescue est principalement utilisée pour le calcul des courants de court-circuit.

Courant de court-circuit

En cas de court-circuit asymétrique, la connaissance de l'impédance homopolaire du système est indispensable pour la détermination de la valeur du courant. Ainsi en cas de défaut monophasé, le courant vaut , où Un est la tension nominale du réseau, est un facteur de tension selon les tolérances acceptées sur la valeur de la tension, Zd est l'impédance directe du système, Zi celle indirecte et Z0 celle homopolaire.

Le sens de rotation du champ magnétique n'ayant pas d'incidence sur le comportement d'un transformateur, leur impédance directe et indirecte sont égales : Zd=Zi.

L'impédance homopolaire d'un transformateur électrique dépend de son couplage et son circuit magnétique. Une impédance homopolaire élevée permet de limiter le courant de court-circuit, cependant cela provoque de fortes surtensions sur les phases saines lors des défauts asymétriques.

Impédance homopolaire des transformateurs à deux enroulements Modèle en T thumb|Modèle en T d'un transformateur à deux enroulements. L'impédance directe d'un transformateur à deux enroulements peut-être modélisée grâce à un modèle en T comme présenté ci-contre. est l'impédance principale, aussi appelée impédance de magnétisation. Les grandeurs liées au primaire sont notées d'un I et celles liées au secondaire d'un II. Une autre convention répandue est de noter les grandeurs du primaire d'un 1 ou d'un p et celles du secondaire d'un 2 respectivement d'un s. L'impédance de court-circuit, ou de fuite, entre les deux enroulements notée est divisée en deux parties pour le primaire et pour le secondaire. Ramené au primaire, si l'impédance de court-circuit en pour cent est notée en minuscule , on aCEI 60076-8, cl. 4.2 et 5.2, version 1997 :

Où est la tension assignée de l'enroulement primaire et est la puissance apparente du transformateur.

L'impédance principale est de plusieurs ordres de grandeurs plus grande que l'impédance de court-circuit.

Comme déjà indiqué pour un transformateur Zd=Zi. Cela signifie que et . De manière générale, Zd n'est pas égale à Z0CEI 60076-8, cl. 4.2, version 1997. Cependant, l'impédance homopolaire de court-circuit entre les deux enroulements principaux ne diffère normalement que légèrement de l'impédance directe. Cette différence est de l'ordre de 10 % à 20 %, en fonction de la position des enroulements. Cependant, si des inductances supplémentaires sont connectées dans une connexion en triangle, son impédance homopolaire deviendra beaucoup plus grandeCEI 60076-8, cl. 5.3, version 1997.

Cas des connexions non reliées à la terre Un courant homopolaire ne peut entrer, ou sortir, dans une connexion en triangle, ainsi que celle en étoile et zigzag dont le neutre n'est pas mis à la terre. En effet, le courant entrant dans un système doit en ressortir. Or, les trois seuls courants présents sont ceux des trois phases. On a donc automatiquement ;. L'impédance homopolaire vue depuis le côté du transformateur non relié à la terre est infinie dans ce cas. On modélise ce cas par un circuit ouvert.