Systèmes de puissance triphasés : fondamentaux et avantages

Qu'est-ce que la puissance à phase dédoublée ?

Les systèmes à phase dédoublée améliorent l'efficacité des conducteurs tout en réduisant les risques de sécurité en divisant la tension totale en niveaux inférieurs. Chaque charge fonctionne à une tension réduite, pourtant les courants restent typiques d'un système plein tension.

Bien que le terme « phase » soit strictement un concept AC, le même principe s'applique au DC. On les appelle généralement des systèmes trois fils plutôt que phase dédoublée.

Parce que les tensions AC déphasées ne s'additionnent pas simplement, nous pouvons exploiter ce comportement pour créer des systèmes de puissance avec une efficacité de conducteur encore supérieure et des risques de choc plus faibles que la phase dédoublée.

Exemples

Deux sources de tension déphasées de 120°

Considérez deux sources de tension AC connectées en série comme dans un système à phase dédoublée, mais chaque source est déphasée de 120° par rapport à l'autre :

Paire de sources 120 Vac déphasées de 120°, similaire à la phase dédoublée.

Chaque source fournit 120 V, et chaque résistance de charge est directement en parallèle avec sa source respective. Par conséquent, la tension aux bornes de chaque charge est 120 V, et avec un courant de charge de 83,33 A, chaque charge dissipe 10 kW.

La tension entre les deux conducteurs « phase » n'est pas 240 V (120° – 180°) car la différence de phase est 120°. Au lieu de cela, la tension ligne-à-ligne est :

Nominalement, on dit que la tension entre les conducteurs de phase est 208 V (arrondi), donc le système est désigné comme 120/208.

Le calcul du courant neutre révèle qu'il n'est pas nul même avec des charges équilibrées. La loi des nœuds de Kirchhoff dicte que les courants entrant et sortant du nœud entre les deux charges doivent s'annuler :

Le fil neutre transporte un plein 83,33 A, tout comme chaque conducteur de phase.

Constatations et conclusions

Bien que le neutre transporte encore le même courant que les conducteurs de phase, la puissance totale délivrée reste 20 kW (10 kW par charge). Parce que la tension phase-à-phase n'est que 208 V — 32 V de moins que les 240 V de la phase dédoublée — la sécurité est améliorée sans changer le coût des conducteurs, puisque le même calibre de cuivre est requis.

Trois sources de tension déphasées de 120°

Le courant du neutre suggère que nous pourrions l'utiliser comme conducteur de phase supplémentaire. Ajouter une troisième source 120 V déphasée de 240° permet à une quatrième charge de partager les mêmes trois conducteurs :

Avec une troisième charge déphasée de 120° par rapport aux deux autres, les courants restent les mêmes que pour deux charges.

Calculs SPICE pour un système triphasé

Bien qu'une analyse complète de réseau utiliserait le théorème de superposition, le résultat intuitif est que trois sources 120 V déphasées de 120° délivrent 120 V à chaque résistance de charge équilibrée.

SPICE confirme cela :

Circuit SPICE : Trois charges 3-Φ déphasées de 120°.

120/208 système polyphasé v1 1 0 ac 120 0 sin v2 2 0 ac 120 120 sin v3 3 0 ac 120 240 sin r1 1 4 1.44 r2 2 4 1.44 r3 3 4 1.44 .ac lin 1 60 60 .print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4) .print ac v(1,2) v(2,3) v(3,1) .print ac i(v1) i(v2) i(v3) .end

TENSION AUX BORNES DE CHAQUE CHARGE freq v(1,4) v(2,4) v(3,4) 6.000E+01 1.200E+02 1.200E+02 1.200E+02
TENSION ENTRE CONDUCTEURS "PHASE" freq v(1,2) v(2,3) v(3,1) 6.000E+01 2.078E+02 2.078E+02 2.078E+02
COURANT PAR CHAQUE SOURCE freq i(v1) i(v2) i(v3) 6.000E+01 8.333E+01 8.333E+01 8.333E+01

Les résultats montrent 120 V aux bornes de chaque charge, ~208 V entre deux conducteurs de phase quelconques, et 83,33 A dans chaque conducteur. Chaque charge dissipe ainsi 10 kW.

Le circuit manque un fil neutre pour la stabilité de tension. Si une charge s'ouvre, les charges restantes voient des tensions altérées. L'ajout d'un neutre assure un fonctionnement stable lorsque les charges sont équilibrées, et il ne transporte aucun courant à moins qu'une charge ne faille ou soit déconnectée.

Circuit SPICE annoté avec résultats de simulation : Trois charges 3-Φ déphasées de 120°.

Circuit polyphasé

Ce que nous avons examiné — trois sources de tension avec des angles de phase distincts — est appelé un circuit polyphasé. Le préfixe « poly » signifie « plus d'un », comme dans « polythéisme » ou « polygone ». Dans les systèmes de puissance, il désigne plusieurs formes d'onde de tension déphasées.

Plus spécifiquement, un circuit triphasé est la forme la plus courante de système polyphasé, alimentant les réseaux de distribution à grande échelle.

Système triphasé vs système monophasé

Système monophasé

Trois charges identiques sur un système monophasé 120 V tirent un total de 250 A (83,33 A × 3). Pour gérer ce courant, du cuivre 3/0 AWG (≈510 lb/1 000 pi) serait requis. Sur 1 000 pi, plus d'une demi-tonne de cuivre serait nécessaire.

Pour comparaison, trois charges 10 kW sur un système 120 Vac tirent 250 A.

Système à phase dédoublée

Un système à phase dédoublée peut diviser le courant par deux. Deux charges 15 kW, 120 V tirent 125 A à 240 V tension de ligne, permettant l'utilisation de cuivre 2 AWG (≈200 lb/1 000 pi). Cependant, la présence de 240 V introduit un risque de choc plus élevé.

Système phase dédoublée tire la moitié du courant (125 A) à 240 Vac comparé au système 120 Vac.

Système triphasé

Comparé aux deux précédents, un système triphasé équilibré utilise seulement 83,33 A par conducteur. Du cuivre 4 AWG (≈125 lb/1 000 pi) suffit, réduisant le coût matériel tout en maintenant la tension maximale à 208 V — inférieure aux 240 V de la phase dédoublée.

La question principale est comment générer trois sources de tension AC déphasées de 120°. Contrairement à la phase dédoublée, qui utilise une prise centrale, un alternateur triphasé place trois ensembles d'enroulements à 120° autour du rotor, produisant le déphasage requis directement à la source.

Dans la figure ci-dessous, les six enroulements de pôles forment trois paires ; chaque paire délivre une forme d'onde AC 120 V déphasée de 120° par rapport aux autres. Les enroulements sont généralement câblés en configuration « Y » (étoile), connectant une extrémité de chaque enroulement à un nœud neutre commun.

(a) Alternateur monophasé, (b) Alternateur triphasé.

Configuration Y de l'alternateur.

Récapitulatif

• Un système monophasé a une source de tension AC unique.
• Un système à phase dédoublée utilise deux sources déphasées de 180°, réduisant les courants de conducteurs tout en gardant les tensions de charge basses.
• Un système polyphasé emploie plusieurs sources de tension avec différents angles de phase, délivrant plus de puissance à tension plus faible et avec des conducteurs plus petits.
• Les sources de tension déphasées sont créées dans les alternateurs avec plusieurs ensembles d'enroulements espacés autour du rotor.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices sur les systèmes de puissance polyphasés