Triphasé


Triphasé

Triphasé

Graphique des trois tensions de même fréquence/amplitude et déphasées de 120°

Le triphasé est un système de trois tensions sinusoïdales de même fréquence et généralement de même amplitude qui sont déphasées entre elles (de 120 ° ou 2π/3 radians dans le cas idéal). Si la fréquence est de 50 Hz par exemple, alors les trois phases sont retardées de 1/(50x3) seconde (soit 6,7 millisecondes). Lorsque les trois conducteurs sont parcourus par des courants de même valeur efficace, le système est dit équilibré.

Le triphasé permet d'éviter les problèmes de puissance inhérent au système monophasé (en régime sinusoïdal). On peut démontrer que le triphasé délivre une puissance instantanée sans composante pulsée contrairement au système monophasé où la puissance instantanée est une sinusoïde [1]. De plus, il offre un meilleur rendement dans les alternateurs et moins de perte lors du transport de l'électricité.

Sommaire

Définitions de base

Grandeurs triphasées

Un système de grandeurs triphasées peut se mettre sous la forme :

g_1 = G_1\sin\left( \omega t+\varphi_1\right)
g_2 = G_2\sin\left( \omega t+\varphi_1 - \tfrac23\pi \right)
g_3 = G_3\sin\left( \omega t+\varphi_1 + \tfrac23\pi\right)

Systèmes triphasés équilibrés et déséquilibrés

Un système de grandeurs (tensions ou courants) triphasées est dit équilibré si les 3 grandeurs, fonctions sinusoïdales du temps, ont la même amplitude : G1 = G2 = G3 = G

Dans le cas contraire, le système triphasé est dit déséquilibré

Systèmes triphasés directs et inverses

Si les 3 grandeurs passent par la valeur 0 dans l'ordre 1, 2, 3, 1, ..., le système triphasé est dit direct. Il peut alors se mettre sous la forme :

g_1 = G_1\sin( \omega t+\varphi_1)
g_2 = G_2\sin\left( \omega t+\varphi_1 - \tfrac23\pi \right)
g_3 = G_3\sin\left( \omega t+\varphi_1 - \tfrac43\pi\right) = G_3\sin\left( \omega t+\varphi_1 + \tfrac23\pi\right)

Si les 3 grandeurs passent par la valeur 0 dans l'ordre 1, 3, 2, 1, ..., le système triphasé est dit inverse. Il peut alors se mettre sous la forme :

g_1 = G_1\sin( \omega t+\varphi_1)
g_2 = G_2\sin\left( \omega t+\varphi_1 + \tfrac23\pi \right)
g_3 = G_3\sin\left( \omega t+\varphi_1 + \tfrac43\pi\right) = G_3\sin\left( \omega t+\varphi_1 - \tfrac23\pi\right)

Pour inverser l'ordre des phases, c'est à dire passer de l'ordre direct à l'ordre inverse et réciproquement, il suffit d'inverser le branchement de deux phases.

Distribution triphasée

Animation d'un alternateur triphasé

Une distribution triphasée comporte 3 ou 4 fils

  • Trois conducteurs de phase
  • Un conducteur de neutre qui n'est pas systématique mais qui est souvent distribué.

Tensions simples

Les différences de potentiel entre chacune des phases et le neutre constituent un système de tensions triphasées notées généralement V (V1N, V2N, V3N) et appelées tensions simples, tensions étoilées ou tensions de phase. Mathématiquement, on peut noter :

v_1 = V_1\sqrt 2\sin( \omega t+\varphi_1)
v_2 = V_2\sqrt 2\sin\left( \omega t+\varphi_1 - \tfrac23\pi \right)
v_3 = V_3\sqrt 2\sin\left( \omega t+\varphi_1 - \tfrac43\pi\right)

Vi la valeur efficace, ω la pulsation, φi la phase à l'origine et t le temps.

Dans le cas de distributions équilibrées, on a V1 = V2 = V3 = V.

Tensions composées

Les différences de potentiel entre les phases constituent un système de tensions notées généralement U : (U12, U23, U31) et appelées tensions composées ou tensions de ligne.

u_{ij} = v_i - v_j = U_{ij}\sqrt 2\sin( \omega t+\varphi_{ij})

Les tensions composées constituent un système de tensions triphasées si et uniquement si le système de tensions simples est un système équilibré. La somme des trois tensions composées est toujours nulle. Il en résulte que la composante homopolaire des tensions entre phases est toujours nulle (voir ci-dessous transformation de Fortescue).

Dans le cas de distributions équilibrées, on a :U12 = U23 = U31 = U

Relation entre tensions simples et composées

Représentation de Fresnel des tensions simples et composées pour un système équilibré direct

Nous avons reporté sur la figure ci-contre le diagramme de Fresnel des tensions simples et composées délivrées par un système triphasé équilibré direct. En observant, par exemple, le triangle isocèle formé par les tensions v1, v2 et u12, nous pouvons remarquer que celui-ci a deux angles aigus de π / 6 radians (soit 30 degrés). On peut ainsi exprimer la valeur efficace de la tension composée U en fonction de la valeur efficace de la tension simple V à travers la relation :


	U = 2 \times V \times \cos(\pi/6)

Il en va de même dans le cas d'un système équilibré indirect.

Par conséquent, dans un système triphasé équilibré, les valeurs efficaces des tensions simples et composées sont reliées par la relation :


U = \sqrt 3 V

Récepteurs triphasés

Un récepteur triphasé est constitué de trois dipôles aussi appelés enroulements ou phases. Si ces trois dipôles ont la même impédance, le récepteur est dit équilibré.

Un récepteur triphasé peut être relié à l'alimentation de deux manières :

Couplages triphasés.png

La littérature anglophone désigne habituellement les couplages triangle et étoile par des noms de lettres :
- Triangle : Delta (Δ)
- Étoile : Wye (Y)

Un récepteur équilibré alimenté par un système équilibré de tensions absorbera trois courants de ligne formant également un système triphasé équilibré.

Intensités

Les courants de ligne ou courants composés sont notés I. Les courants qui traversent les éléments récepteurs sont appelés courants de phase ou courants simples et sont notés J.

Connexion d'un récepteur triphasé

Les trois dipôles qui constituent le récepteur triphasé sont reliés à 6 bornes conventionnellement disposées comme l'indique la figure ci-dessous.

Plaque à bornes d'un récepteur triphasé.png

L'avantage de cette disposition est de permettre la réalisation des deux couplages avec des barrettes d'égale longueur, la distance entre deux bornes contiguës étant constante. L'appareil est fourni avec trois barrettes identiques dont la longueur permet un câblage horizontal ou vertical. On doit utiliser ces barrettes de connexion afin de réaliser les couplages désirés :

Couplage étoile

Le couplage étoile des enroulements (couplage le plus fréquent) s'obtient en plaçant deux barrettes de connexions de la manière suivantes :

Couplage en étoile d'une plaque à bornes.png

Les trois bornes restantes seront câblées avec les trois conducteurs de phases.

Les trois bornes reliées ensemble par les deux barrettes constituent un point qui sera au potentiel du neutre. Ce point peut être relié au neutre de la distribution, mais ce n'est pas une obligation, cela est même fortement déconseillé pour les machines électriques.

Dans un couplage étoile, les courants de ligne et de phase sont les mêmes, aussi on note :

I = J

Couplage triangle

Le couplage triangle des enroulements s'obtient en plaçant trois barrettes de connexions de la manière suivante :

Couplage en triangle d'une plaque à bornes.png

Un câble de phase est relié ensuite à chaque barrette. Le câble de neutre n'est pas connecté.

Dans un couplage triangle, il est nécessaire de décomposer chaque courant traversant les récepteurs. Ainsi, on a :

I1 = J21J31
I2 = J23J21
I3 = J23J31

Les valeurs efficaces des courants de ligne et de phase sont liés par la relation :


I = \sqrt 3 J
Article connexe : théorème de Kennelly.

Plaques signalétiques des récepteurs triphasés

La plaque signalétique d'un récepteur triphasé précise la valeur des deux tensions entre phases permettant de l'alimenter :

Exemple 
chauffe-eau : 230 V / 400 V :
  • la première valeur est la tension entre une phase et le neutre requise pour câbler le récepteur en étoile ;
  • la deuxième valeur est la tension entre deux phases requise pour câbler le récepteur en triangle.

Puissance consommée par un récepteur triphasé

Puissance active

Le théorème de Boucherot impose que cela soit la somme des puissances consommées par chacun des dipôles :

  • en étoile : P = V_1 I_1  \cos \varphi_1 +  V_2 I_2  \cos \varphi_2+ V_3 I_3  \cos \varphi_3 soit, en régime équilibré : P = 3  \cdot V I \cdot \cos \varphi v/i [réf. nécessaire]
  • en triangle : P = U_1 J_1  \cos \varphi_1 +  U_2 J_2  \cos \varphi_2+ U_3 J_3  \cos \varphi_3 soit, en régime équilibré : P = 3  \cdot U J \cdot \cos \varphi u/j[réf. nécessaire]
  • Pour les récepteurs équilibrés et quel que soit le couplage, on peut écrire  : P =\sqrt 3  \cdot U I \cdot \cos \varphi .

Remarque : Dans ce cas, \varphi n'est pas le déphasage entre  \underline U et  \underline I

Intérêt du triphasé

Autre vue d'un alternateur triphasé (Hawkins Electrical Guide, 1917)

Intérêt pour le transport de l'électricité

Le transport en triphasé permet d’économiser du câble et de diminuer les pertes par effet joule : trois fils de phases suffisent (le neutre n'est pas transporté, il est «recrée» au niveau du dernier transformateur). En effet, le déphasage entre chaque phase est tel que, pour un système équilibré, la somme des trois courants est supposée nulle (si les trois courants ont la même amplitude, alors \cos(x) + \cos(x+\tfrac23\pi) + \cos(x+\tfrac43\pi)=0). Et donc, en plus de faire l'économie d'un câble sur les longues distances, on économise en prime sur les effets joule (un câble supplémentaire traversé par un courant impliquerait des pertes supplémentaires).

Intérêt pour la production de l'électricité

De meilleurs alternateurs

L'alternateur triphasé s'est imposé dès l'origine (avant 1900) comme le meilleur compromis[2].

Plus de 95 % de l’énergie électrique est produite par des alternateurs synchrones, des machines électromécaniques fournissant des tensions de fréquences proportionnelles à leur vitesse de rotation. Ces machines sont moins coûteuses et ont un meilleur rendement que les machines à courant continu (dynamos) qui délivrent des tensions continues (95 % au lieu de 85 %).

Les alternateurs (machines synchrones) triphasés qui produisent l'énergie électrique ont un meilleur rendement et un meilleur rapport poids/puissance qu'un alternateur monophasé de même puissance.

Annuler la puissance fluctuante

Supposons qu'un alternateur monophasé délivre 1000 A sous une tension de 1000 V et de fréquence 50 Hz. L'expression de la puissance délivrée se met sous la forme :

P = U\sqrt 2\sin( \omega t) \cdot I\sqrt 2\sin( \omega t+\varphi)
P = UI\cos \varphi - UI\cos( 2\omega t+\varphi)

Donc la puissance active délivrée (le premier terme de la somme) est comprise entre 0 et 1 MW (elle dépend du facteur de puissance de la charge), mais la puissance fluctuante (le deuxième terme de la somme) est une puissance sinusoïdale de fréquence 100 Hz et d’amplitude obligatoirement égale à 1 MW. La turbine, du fait de son inertie, tourne avec une vitesse mécanique quasi constante, et donc à chaque instant elle fournit une puissance identique. Ces différences de puissance se traduisent par des oscillations de couples qui sont, en majeure partie, absorbées par l’élasticité de l’arbre de transmission et finissent par provoquer sa destruction.

Pour supprimer cette puissance fluctuante, les alternateurs de grande puissance doivent donc nécessairement produire un système de tensions polyphasées : il faut produire n phases (n ≥ 2) déphasées convenablement dans le temps.

Par exemple en diphasé:

P = U\sqrt 2\sin( \omega t) \cdot I\sqrt 2\sin( \omega t+\varphi)+U\sqrt 2 \cos( \omega t) \cdot I\sqrt 2 \cos( \omega t+\varphi)
P = UI \cos \varphi - UI \cos( 2\omega t+\varphi)+UI \cos \varphi + UI \cos( 2\omega t+\varphi)
P = 2UI\cos \varphi

La puissance fluctuante a bien été annulée.

Le choix qui a été fait pour l'ensemble des réseaux du monde est n = 3.

Transformation des systèmes triphasés

Transformation de Fortescue

Article détaillé : Transformation de Fortescue.

Notes

Voir aussi

Articles connexes

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