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 . De plus, il offre un meilleur rendement dans les alternateurs et moins de perte lors du transport de l'électricité.

Définitions de base
Grandeurs triphasées

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

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 :
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.
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
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.

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
Relation entre tensions simples et composées

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 :

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 :

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 (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.
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 :
I = J
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.

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

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

* 1. Calcul des puissances
o a. Puissance active
o b. Puissance réactive
o c. Puissance apparente
* 2. Facteur de puissance
* 3. Puissances dans un montage...
* 4. Puissance dans un montage triphasé...


Dans les circuits à courant alternatif triphasé, on considère les trois types de puissances que nous avons déjà rencontrées en monophasé :

• la puissance active (P) ;
• la puissance réactive (Q) ;
• la puissance apparente (S).

La puissance active est la puissance réellement disponible pour exécuter le travail. Elle se mesure en watts (W).

La puissance réactive représente la puissance engendrée par les éléments réactifs du circuit, qui sont des condensateurs (réactance capacitive) ou des bobines (réactance inductive). La puissance réactive ne consomme pas d'énergie, mais n'effectue aucun travail. Elle se mesure en voltampères réactifs (VARS).

La puissance apparente est la puissance totale fournie à la charge. Elle se mesure en voltampères (VA) et correspond à la somme vectorielle de la puissance active et de la puissance réactive du circuit. L'équation suivante traduit cet énoncé de façon mathématique :
1. Calcul des puissances

Vous avez vu qu'un récepteur triphasé n'est autre que trois récepteurs monophasés que l'on a branchés de façon particulière, étoile ou triangle, selon la source qui l'alimente.

La puissance d'un récepteur triphasé se détermine donc comme en monophasé pour chacun des récepteurs élémentaires.

Les récepteurs élémentaires fonctionnent indépendamment les uns des autres, leur puissance active et réactive vont donc s'additionner.
a. Puissance active

Le principe de la conservation de l'énergie est appliqué : la puissance active totale est égale à la somme des puissance actives des trois récepteurs élémentaires P = P1 + P2 + P3.
Avec :P : puissance active du récepteur triphasé (en W).
P1, P2 et P3 : puissances actives des récepteurs élémentaires (en W).
b. Puissance réactive

La puissance réactive totale est égale à la somme des puissances réactives des trois récepteurs élémentaires.

Q = Q1 + Q2 + Q3
Avec: Q : puissance réactive du récepteur triphasé (en VARS)
Q1, Q2 et Q3 : puissances réactives des récepteurs élémentaires (en VARS)
avec S : puissance apparente du récepteur triphasé (en VA).

Facteur de puissance

En monophasé, nous avons vu que le facteur de puissance (Cosfi ) représente le déphasage entre le courant et la tension, déphasage causé par l'élément réactif du circuit. Il est défini par le cosinus du déphasage, comme le montre la figure suivante:
Pour déterminer le facteur de puissance à partir de la figure ci-dessus, nous devons connaître la valeur de la puissance apparente :

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Présentation










OU
Le transformateur est un convertisseur statique (pas de pièce en mouvement). Il transforme une tension sinusoïdale en une autre tension sinusoïdale de valeur efficace différente.

Transformateur parfait

On définit le rapport de transformation m par :
si m <>abaisseur de tensionde plus

Transformateur réel

Le rapport de transformation se mesure à vide (pas de charge, I₂=0)

Transformateur en charge

Les pertes fer sont dues à l’hystérésis du matériau ferromagnétique et aux courants de Foucault. Les pertes fer sont proportionnelles à B_max ² -donc à U₁²- et à la fréquence fBilan des puissances

Limitation des pertes fer

Rendement

OU

Calcul du rendement

Mesure directe

Cette méthode consiste à mesurer avec deux wattmètres P₁ et P₂.

Mesure par la méthode des pertes séparées

Essai à vide : mesure des pertes fer

A vide I₁₀ est très faible. Par conséquent P_J10 <<>10Finalement : essai à vide

Essai en court circuit : mesure des pertes joule

En court-circuit, pour obtenir I_n, il faut travailler à très faible tension U_1cc. Par conséquent P_fer est très faibleFinalement : essai en court-circuit

Essai en charge

Montage : il faut choisir une charge appropriée pour travailler dans les conditions nominales de tension et de courant. On mesure P1.

Rendement :

Autres caractéristiques du transformateur

 Lecture de la plaque signalétique

Isolation galvanique

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En électricité, un Schéma de Liaison à la Terre, ou SLT (Anciennement Régime de neutre) définit le mode de raccordement à la terre du point neutre d'un transformateur de distribution et des masses côté utilisateur.

Les schémas de liaison à la terre ont pour but de protéger les personnes et le matériel en maîtrisant les défauts d'isolement. En effet, pour des raisons de sécurité, toute partie conductrice d'une installation est isolée par rapport aux masses. Cet isolement peut se faire par éloignement, ou par l'utilisation de matériaux isolants. Mais avec le temps, l'isolation peut se détériorer (à cause des vibrations, des choc mécaniques, de la poussière, etc.), et donc mettre une masse (la carcasse métallique d'une machine par exemple) sous un potentiel dangereux. Ce défaut présente des risques pour les personnes, les biens mais aussi la continuité de service.

Selon la norme CEI 60364 (remplacée par le guide de charge CEI 60076-7 Ed. 1), un schéma de liaison à la terre se caractérise par deux lettres. La première indique le raccordement du neutre du transformateur, elle peut être :

* T pour raccordé à la terre ;
* I pour isolé (ou impédant) par rapport à la terre.

La seconde lettre indique la façon de connecter les masses utilisateurs, elle peut être :

* T pour raccordées à la terre ;
* N pour raccordées au neutre, lequel est raccordé à la terre.

Schéma TN

Généralités

Dans le SLT TN, le neutre du secondaire transformateur est relié à la terre et les masses utilisateurs sont connectées au conducteur de protection (nommé PE,de l'anglais :protective earth (PE)) principal lui-même relié à la prise de terre. L'ensemble est donc interconnecté à une barre collectrice en cuivre dont la prise de terre fond de fouille y est connecté. Les normes CEI 60364 et NF C 15-100 définissent 3 sous-schémas pour le SLT TN : TN-C (terre et neutre confondu), TN-C/S (TNC pour les circuit principaux et TNS pour les circuits terminaux et section des conducteurs <10mm²>TN-C

Dans le TN-C, les conducteurs de neutre (N) et de protection (PE) sont confondus pour former le PEN.

• Ce SLT permet d'économiser un câble (ainsi qu'un pôle sur chacun des appareils de protection).

TN-S

Dans le TN-S, le conducteur de protection et le conducteur neutre sont reliés uniquement au poste de distribution et à aucun autre point.

Le TN-S est obligatoire pour les réseaux ayant des conducteurs avec une section ≤ 10 mm² en Cuivre ou une section ≤ 16 mm² Aluminium

Schéma TT

Principe

Le neutre du transformateur est relié à la terre, et les masses des équipements des utilisateurs disposent de leur propre raccordement à la terre. * Ce schéma de liaison à la terre est le plus fréquent chez les particuliers en France. * L'emploi d'un DDR (Dispositif Différentiel Résiduel) est obligatoire en tête d'installation pour assurer la protection des personnes (ainsi que celui de valeur maximale 30mA sur les circuits prises).

Défaut en régime TT

Si nous calculons la tension due au défaut d’isolement nous obtenons :

Où :

Id : Courant de défaut (A)

U : Tension du réseau (V)

Uc : Tension du défaut (V)

Avec des valeurs courantes pour les différentes variables :

U=230V

Rf=0,1Ω

Rc=0 Ω (défaut Franc)

Ru=25 Ω

Rn=18 Ω

Rh= 1kΩ

Uc = 24,4 * 5,41 = 132 > 50V

La tension de contact est donc dangereuse même en milieu sec. Il est nécessaire de mettre en place un dispositif de protection contre les contacts indirect (Dispositif Différentiel Résiduel

Schéma IT

Caractéristiques

La caractéristique principale de ce schéma est que le point neutre du transformateur en amont de l'installation est complètement isolé de la terre (il est dit « flottant », grâce à l'isolation galvanique propre au transformateur). Les trois phases et surtout le neutre ne sont pas reliés à la terre, contrairement aux autres schémas. En réalité, le neutre peut être relié à la terre via les capacités parasites des câbles, ou volontairement via une impédance de forte valeur (1 500 Ω). Les masses utilisateur sont interconnectées normalement et reliées à la terre. On parle de premier défaut lorsqu'un appareil ou un utilisateur connecte une des trois phases à la terre (au travers du châssis de l'appareil par exemple). On parle de second défaut lorsqu'un deuxième court-circuit avec la terre apparaît après un premier défaut, soit sur la même phase, soit sur une des deux autres.

les points forts

Dans le cas d'un premier défaut, il n'existe en théorie aucun danger pour les personnes et les appareillages : du fait de l'isolation du transformateur en amont, le fait de mettre une phase à la terre n'induit aucun courant électrique. Contrairement aux autres schémas, ce cas n'oblige pas la coupure de la fourniture d'électricité : ce point très important explique son utilisation dans les domaines où la fourniture d'électricité est vitale : blocs opératoires des hopitaux, locaux à risques d'explosion, installations d'éclairage de sécurité, ainsi que les domaines industriels qui ont un impératif de continuité de service : réseaux électriques MT

les limitations

Si le premier défaut n'est pas rapidement traité, un second défaut peut apparaitre et s'avérer dangereux, voire mortel. Il est donc nécessaire d'utiliser un contrôleur permanent d'isolement (CPI, non représenté sur le schéma) pour signaler un premier défaut. Ce contrôleur doit signaler le défaut à une équipe de maintenance qui doit partir à sa recherche. Les normes de sécurité imposent donc la disponibilité permanente d'un personnel de maintenance qualifié sur le site.

Il existe un cas pour lequel un risque mortel peut apparaitre dès le premier défaut : si deux batiments ayant leur propre terre sont alimentés par le même réseau IT, et qu'un défaut apparait sur deux phases différentes dans chaque batiment, alors un cable reliant les deux batiments (tel qu'un cable de télécommunication) pourra être porté au potentiel du secteur (généralement 400V) dans un des deux batiments. C'est pourquoi il est fortement conseillé d'interconnecter ensemble toutes les terres d'un même réseau IT.

L'utilisation de matériel électrique avec des courants de fuite importants (capacités parasites entre phase et chassis), ou en grand nombre va augmenter le courant dans le CPI, au point de présenter des risques d'incendie.

Le matériel et les protections doivent être adaptés afin d'accepter des tensions importantes entre neutre/phase et la terre. Du fait du caractère flottant du neutre, des perturbations BF de mode commun peuvent être à l'origine de ces surtensions. Une impédance de l'ordre du kohm peut être raccordée entre le neutre du transfo et la terre, ceci afin de réduire les variations de potentiel entre le réseau et la terre : elle est donc particulièrement importante dans les réseaux alimentant des appareils sensibles.

La localisation d'un défaut est difficile, voire pratiquement impossible dans le cas d'un second défaut sur une même phase. Une technique de localisation consiste à injecter un courant de 10Hz au niveau du CPI, et de détecter la fuite à l'aide d'une pince ampèremétrique et d'un filtre sélectif.

Pour protéger l'installation contre les surtensions (la foudre par exemple) du coté haute-tension, la norme NF C 15-100 oblige à placer un limiteur de surtension entre le point neutre du transformateur et la terre (non représenté sur le schéma).

Toutes ces contraintes expliquent que ce schéma est déconseillé, voire interdit dans les installations domestiques par exemple.

Utilisations des SLT dans le monde

* Aux Etats-Unis, le TN-C est majoritairement utilisé. La mise à la terre du neutre est faite chez l'abonné BT.
* En France et en Belgique, le TT est obligatoire en distribution publique avec (en France) protection des prises de courant par un DDR de sensibilité 30mA - (En Belgique) une protection générale DDR 300mA pour toute l'installation et une protection locale DDR 30mA pour les circuits de salle d'eau (salle de bain, lave-linge et lave-vaisselle).
* En Grande-Bretagne, les nouvelles installations sont en TN-C. La prise de terre du neutre est fournie par le fournisseur d'énergie.
* En Allemagne, le TT et le TN-C cohabitent, mais la prise de terre est chez l'abonné.
* En Norvège, les bâtiments étant en matériaux isolant et les prises de terre de mauvaise qualité, le SLT choisi est le IT avec utilisation de DDR de sensibilité 30mA en signalisation et coupure au second défaut par le disjoncteur.

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