Rotation de phase dans les alternateurs triphasés : mécanique, détection et inversion de fils

Alternateur triphasé

Revenons sur la conception d'alternateur triphasé discutée précédemment et observons les effets de la rotation de l'aimant sur les tensions générées.

Alternateur triphasé

Le déphasage de 120° est un résultat direct du déplacement angulaire réel des trois paires d'enroulements. Si l'aimant tourne dans le sens horaire, l'enroulement 3 atteint son pic de tension 120° de rotation d'arbre après l'enroulement 2, qui lui-même culmine 120° après l'enroulement 1. L'aimant passe chaque paire de pôles à des angles d'arbre distincts.

Le placement des enroulements détermine le déphasage entre les formes d'onde AC de chaque enroulement. En utilisant l'enroulement 1 comme référence (0°), l'enroulement 2 est à –120° (ou +240°) et l'enroulement 3 est à –240° (ou +120°).

Séquence de phase

La rotation horaire de l'arbre produit une séquence répétable : 1 → 2 → 3. La séquence persiste tant que l'alternateur continue de tourner.

Séquence de phase rotation horaire : 1‑2‑3.

Inverser la direction de l'arbre (anti-horaire) inverse l'ordre à 3 → 2 → 1. Dans ce cas, l'enroulement 2 précède l'enroulement 1 de 120°, et l'enroulement 3 précède l'enroulement 2 de 120° supplémentaires.

Séquence de phase rotation anti-horaire : 3‑2‑1.

L'arrangement des formes d'onde de tension dans un système polyphasé est appelé rotation de phase ou séquence de phase. Pour des charges purement résistives, la séquence ne fait aucune différence — les magnitudes restent identiques quelle que soit la séquence 1‑2‑3 ou 3‑2‑1. Cependant, certaines applications triphasées, en particulier celles impliquant des charges réactives déséquilibrées, sont sensibles à la direction de la rotation de phase.

Détecteurs de séquence de phase

Les voltmètres et ampèremètres standards ne peuvent pas révéler la séquence d'un système de puissance sous tension. À la place, un circuit détecteur simple utilise un condensateur pour introduire un déphasage entre tension et courant, qui se manifeste alors par une différence de luminosité entre deux lampes indicatrices.

Détecteur de séquence de phase compare la luminosité de deux lampes.

Les deux lampes ont une résistance de filament et une puissance identiques. Le condensateur est dimensionné pour fournir une réactance approximativement égale à la résistance de chaque lampe à la fréquence du système. Remplacer le condensateur par une résistance de valeur égale équilibrerait le circuit, produisant une luminosité égale des lampes. Le condensateur, cependant, introduit un déphasage de 90° dans la troisième branche, décalant la tension et le courant vus par les lampes en fonction de leurs déphasages relatifs.

Analyse SPICE pour détecteurs de séquence de phase

La simulation SPICE suivante, étiquetée détecteur rotation phase – séquence = v1‑v2‑v3, illustre l'effet d'un déphasage de 90°.

Circuit SPICE pour détecteur de séquence de phase.

détecteur rotation phase -- séquence = v1-v2-v3
v1 1 0 ac 120 0 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 240 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 4.810E+01 1.795E+02 1.610E+02

Le déphasage du condensateur réduit la tension aux bornes de la première lampe à 48,1 V tout en élevant la tension de la seconde lampe à 179,5 V, faisant baisser la première et briller la seconde. Inverser la séquence de phase (c.-à-d., détecteur rotation phase – séquence = v3‑v2‑v1) inverse le résultat : la première lampe devient brillante et la seconde s'éteint.

détecteur rotation phase -- séquence = v3-v2-v1
v1 1 0 ac 120 240 sin
v2 2 0 ac 120 120 sin
v3 3 0 ac 120 0 sin
r1 1 4 2650
r2 2 4 2650
c1 3 4 1u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,4) v(2,4) v(3,4)
.end
freq v(1,4) v(2,4) v(3,4)
6.000E+01 1.795E+02 4.810E+01 1.610E+02

Ainsi, la rotation de phase est régie par l'ordre dans lequel l'aimant rotatif de l'alternateur passe les paires de pôles, et inverser la direction de l'arbre change cet ordre. En pratique, les utilisateurs finaux ne peuvent pas inverser la rotation des alternateurs combinés du réseau national, mais ils peuvent obtenir le même effet en échangeant n'importe lesquels deux des trois fils de phase fournis à une charge triphasée.

Échange des fils de phase

Échanger deux fils de phase est une méthode simple pour inverser la séquence de phase. Considérez une rotation 1‑2‑3 en cours : 1‑2‑3‑1‑2‑3‑… Inverser la séquence en 3‑2‑1 est équivalent à échanger n'importe quels deux fils. Le résultat est toujours un ordre inversé (ex: 2‑1‑3, 1‑3‑2, ou 3‑2‑1).

Toutes les possibilités d'échange de n'importe quels deux fils.

Récapitulatif

• La rotation de phase (ou séquence de phase) fait référence à l'ordre dans lequel les formes d'onde de tension d'une source AC polyphasée atteignent leurs pics. Pour un système triphasé, seules deux séquences existent : 1‑2‑3 et 3‑2‑1, correspondant aux deux directions possibles de rotation de l'alternateur.
• La rotation de phase n'a aucun impact sur les charges purement résistives mais affecte les charges réactives déséquilibrées, comme démontré par le circuit détecteur de rotation de phase.
• L'inversion de la séquence de phase peut être accomplie en échangeant n'importe lesquels deux des trois fils de phase alimentant une charge triphasée.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices sur les systèmes de puissance polyphasés