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Page sur les différents courant électrique

Courant monophasé


Un courant monophasé est un courant électrique alternatif fourni au moyen d'une ligne bifilaire. Il s'oppose aux courants polyphasés, tels que le courant triphasé, pour lesquels plusieurs lignes sont utilisées et déphasées entre elles. Le courant monophasé est principalement utilisé pour l'éclairage et le chauffage, lorsque l'emploi de moteurs de forte puissance n'est pas nécessaire.
Les générateurs de courant alternatif produisent du courant triphasé dans lequel chaque phase est décalée de 120°. Les fréquences standard sont de 50 et 60 Hz.
Un courant monophasé peut être produit à partir d'un courant triphasé en connectant une des trois phases et le neutre, ou en connectant deux des trois phases. Les voltages obtenus varient d'une région à l'autre. L'Amérique du Nord se partage le système à 120 / 208 V, qui coexiste avec un deuxième système (de 277 / 480 V aux états-Unis et de 347 / 600 V au Canada). L'Europe quant à elle utilise presque exclusivement le système à 230 / 400 V.
Dans les systèmes de haute tension (quelques kilovolts), un transformateur monophasé peut être utilisé pour générer une basse tension à partir du triphasé.
Un transformateur ne peut pas produire un système polyphasé à partir de monophasé.
Utilité du monophasé
Les distributions en monophasé sont généralement utilisées dans les zones rurales, où le coût d'un réseau triphasé est trop important et où les charges ne nécessitent pas de telles infrastructures.
Les réseaux haute tension sont presque toujours en triphasé. La puissance des réseaux en monophasé varie considérablement d'un pays à l'autre, voire d'une région à l'autre. En Angleterre, on peut rencontrer des courants de 100A ou même 125A, rendant l'utilité du triphasé faible pour un usage domestique ou commercial. La plupart des autres pays européens ont des limites de courant plus faibles en monophasé, entraînant de ce fait l'alimentation de certaines habitations en triphasé.
Un moteur asynchrone monophasé simple ne produit pas de champ magnétique tournant, en pratique ces moteurs nécessitent un dispositif de démarrage pour produire un champ tournant et générer un couple de démarrage. Excepté pour certaines applications de transport, les moteurs asynchrones monophasés de plus de 10 ou 20kW sont rares.
Mise à la terre
Généralement un 3e conducteur appelé terre est utilisé pour assurer la sécurité et évacuer un courant en cas de défaut électrique. Courant de défaut détecter par le différentielle.

Courant triphasé



Graphique des trois tensions de même fréquence / amplitude et déphasées de 120°
Un courant triphasé est un courant électrique alternatif composé de trois tensions sinusoïdales de même fréquence et généralement de même amplitude qui sont déphasées entre elles (de 120° ou 2p / 3 radians dans le cas idéal). Si la fréquence est de 50Hz par exemple, alors les trois phases sont retardées de 1 / (50x3) secondes (soit 6,7 millisecondes). Lorsque les trois conducteurs sont parcourus par des courants de même valeur efficace, le système est dit équilibré.
Le courant triphasé permet d'éviter les problèmes de puissance inhérent au courant monophasé (en régime sinusoïdal). On peut démontrer que le courant triphasé délivre une puissance instantanée sans composante pulsée contrairement au courant monophasé où la puissance instantanée est une sinusoïde. De plus, il offre un meilleur rendement dans les alternateurs et moins de perte lors du transport de l'électricité.
Définitions de base
Détail
Grandeurs triphasées
Un système de grandeurs triphasées peut se mettre sous la forme:
g1 = G1 sin (ωt + φ1)
g2 = G2 sin (ωt + φ1 - ⅔π)
g3 = G3 sin (ωt + φ1 - ⅔π)
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
Détail
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 :
g1 = G1 sin (ωt + φ1)
g2 = G2 sin (ωt + φ1 - ⅔π)
g3 = G3 sin (ωt + φ1 - 1⅓π) = G3 sin (ωt + φ1 + ⅔π)
Détail
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 :
g1 = G1 sin (ωt + φ1)
g2 = G2 sin (ωt + φ1 - ⅔π)
g3 = G3 sin (ωt + φ1 - 1⅓π) = G3 sin (ωt + φ1 + ⅔π)
Pour inverser l'ordre des phases, c'est-à-dire passer de l'ordre direct à l'ordre inverse et réciproquement, il faut inverser le branchement de deux phases.
Distribution triphasée
Détail
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
Détail
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 :
v1 = V1√2 sin (ωt + φ1)
v2 = V2√2 sin (ωt + φ1 - ⅔π)
v3 = V3√2 sin (ωt + φ1 - 1⅓π)
Vi la valeur efficace, la pulsation, fi la phase à l'origine et t le temps.
Dans le cas de distributions équilibrées, on a V1 = V2 = V3 = V.
Tensions composées
Détail
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.
uij = ui - uj = Uij√2 sin (ωt + φij)
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 .
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 p / 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 * V * cos (π / 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 = √3V
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 :
La littérature anglophone désigne habituellement les couplages triangle et étoile par des noms de lettres : Triangle : Delta Δ - étoile : Wye Υ
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.
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:
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 :
Couplage triangle
Le couplage triangle des enroulements s'obtient en plaçant trois barrettes de connexions de la manière suivante :
Un câble de phase est relié ensuite à chaque barrette. Le câble de neutre n'est pas connecté.
Détail
Dans un couplage triangle, il est nécessaire de décomposer chaque courant traversant les récepteurs. Ainsi, on a :
I1 = J21 - J31
I2 = J23 - J21
I3 = J23 - J31

Puissance consommée par un récepteur triphasé

Puissance active
Détail
Le théorème de Boucherot impose que cela soit la somme des puissances consommées par chacun des dipôles :
en étoile :
P = V1I1 cosφ1 + V2I2 cosφ2 + V3I3 cosφ3
soit en régime équilibré
P = 3 * VI * cosφ (V;I)
en triangle :
P = U1J1 cosφ1 + P = U2J2 cosφ2 + P = U3J3 cosφ3
soit en régime équilibré
P = 3 * UJ * cosφ (U;J)
pour les récèpteurs équilibré
P = √3 * UI * cosφ
Remarque : Dans ce cas, φ n'est pas le déphasage entre U et I et la valeur COSφ est appelé facteur de puissance.

Intérêt du triphasé

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 recréé 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 + ⅔π) + cos (x + 1⅓π) = 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
L'alternateur triphasé s'est imposé dès l'origine (avant 1900) comme le meilleur compromis.
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
Détail
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 √2 sin (ωt) * I √2 sin (ωt + φ)
P = UI cosφ - UI cos (2ωt + φ)
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.
Le choix qui a été fait pour l'ensemble des réseaux du monde est n = 3.