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Couplages, puissances en courant triphasé

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1/3 : Le triphasé : pourquoi et comment ?

Rappel sur le monophasé

Production du courant alternatif
L'alternatif monophasé est obtenu avec un aimant, et bien sûr le plus souvent un électroaimantAfin de pouvoir modifier U sans modifier la fréquence du signal obtenu !
Electro-aimant roue polaire
, qui tourne devant 1 bobine.

Maquettes production triphasé

Maquette triphaséMaquette alternateur triphasé




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Avantages du triphasé

Courant triphasé
S'il est économique à transporter voir cours connexes étoile triangle, il offre l'immense avantage de permettre à un moteur à courant alternatif d'avoir un sens de démarrageEn monophasé, il est possible de faire des paris sur le sens de démarrage :-) (sauf artifice mais d'efficacité moindre)
. Son principal inconvénient pour l'usager réside dans la nécessité d'équilibrer les phases :
Monophasé vs triphasé, équilibre
A gauche en monophasé, exemple 9 kW d'abonnement, le disjoncteur bipolaireBipolaire = 2 pôles
Tétrapolaire = 4 pôles
est réglé sur 45 A (sous 230 V : 9000 / 230 V ≃ 45 A).
A droite, en triphasé, le disjoncteur est réglé sur 3 × 15 A ce qui implique de répartirOn nomme cette action : l'équilibrage des phases :
Les phases, leur intensités respectives en fait, doivent être équilibrées !
la puissance de 9 kW à ne pas dépasser sur 3 × 3 kW (9 / 3) par phase ! Moins aisé...




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Production du triphasé

Production du triphasé
Comme pour le monophasé, on reprend notre aimantSauf pour les très faibles puissance, on utilisera toujours un électroaimant afin de moduler la tension de sortie (Voir alternateurs). qui tourne cette fois autour de 3 bobines décalés de 120°. Ce décalage mécanique de 120° (360° / 3 = 1 /3 de tour) engendre un déphasage électrique de 120° ou : 2π / 3 radians.
En 50 Hz, la période est de 20 ms, le déphasage de 20 / 3 = 6.667 ms.
Alternateur triphasé avec aimant permanent
Ci-dessus toujours avec un aimant permanent qui présente l'inconvénient de ne pas pourvoir moduler la tension de sortie autrement qu'en augmentant la vitesse (comme les anciens alternateursAppelés à tord dynamo : la dynamo produit un courant continu et non pas alternatif ! de vélo) ce qui engendre l'augmentation de la fréquence : inconcevable sur le réseau électrique mailléPour relier (mailler) plusieurs générateurs, il faut qu'ils soient synchrones et qu'ils travaillent tous à la même vitesse !.
Afin de pallier cet inconvénient, l'aimant sera remplacé par une bobine appelée roue polaireSchématisée ci-dessous, en fonction de l'intensité I qui la traverse le champ B variera et donc sa 'puissance magnétique'
Roue polaire
dont on adaptera la puissance magnétique en jouant sur son alimentation en courant continu.




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Le triphasé, c'est intégré ? ...


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2/3 : Les 2 couplages du courant alternatif triphasé

Pourquoi un couplage ?

Les couplages permettent de n'utiliser que 3 fils au lieu de 6 afin de transporter le courant alternatif triphasé. Et surtout d'être certain de disposer d'une tension disponibleEn effet, sans couplage, les tensions ne seraient disponibles qu'entre les paires de fils de même couleur !
Triphasé non couplé
Sans couleurs de fils comment être sûr d'obtenir une tension en choisissant 2 fils ?
Pas très pratique !
entre chaque combinaison de fils !

Etoile et triangle

Couplage triphasé étoileCouplage triphasé triangle
Nous verrons aussi qu'il permet d'économiser sur la section des conducteursEn montage triangle




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Tensions simple V et composée U

V tension simple

On raccorde les récepteurs entre neutre et chaque phase pour obtenir la tension simple VSimple car simplement identique à la tension des bobines du générateur. Pour la différentier, cette tension qui est la plus faible, s'appelle V..
U tension composée
Cette fois les récepteurs sont raccordés directement entre phases pour former la tension composée UComposée de la somme vectorielle de 2 tensions simples V qui sont identiques. U = V × √3.
NB : si l'on vous communique une seule valeur, ex : réseau 400 V~ triphasé, on doit vous indiquer U ; la tension composée la plus élevée : entre phases (la plus grande)

Dans les conseils+ et connexes le ratio √3 est expliqué...




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Mesure de V et U en vidéo


Les 3 tensions simples V sont identiques. Les 3 tensions composées U sont identiques.

Le ratio qui sépare les 3 V et les 3 U est de √3.

Pourquoi √3 ? Voir conseils+ !




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Conséquences d'une inversion de bobine

Etoile correctement câbléeEtoile inversée à 180° Etoile inversée à 180°
Montage étoile correctement câblé : aucune bobine croisée ou inversée ! Sur un élément triphasé, l'inversion du sens d'une bobine se produit lorsque la plaque à borne est mal câblée, ex : retour de réfection bobinageDans les cours connexes, moteur asynchrone, partie abonnés. L'inversion provoque une erreur de déphasage de 180° !!!
Conséquences de l'inversionAinsi les déphasages valent : 60°, 60° puis 240° au lieu de 3 x 120° !
Le plus pernicieux étant que si vous alimentez un moteur qui tourne à vide, il 'grognera' mais tournera quasiment à la bonne vitesse, par contre en charge...
La vitesse s'effondrera et surchauffera !
sur le moteur.

En BTA, le neutre est toujours distribué.





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Récepteur équilibré sans neutre !

Etoile équilibrée sans neutre
Dans le seul cas où le récepteur est unique et équilibréLa photo dans l'illustration ci-dessus représente une résisitance chauffante de chauffe-eau triphasé. C'est aussi valable pour un moteur...
Mais inadapté sur 3 récepteurs distincts, fussent-ils équilibrés, trop risqué...
, on peut se dispenser du neutre et économiser 1 fil devenu inutile, le cours étoile vous le démontrera en détail !




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Le couplage triangle = cct ?

Somme vectorielle en triangle = 0
Si, comme nous le renseigne le schéma en haut à droite, c'est un générateur qui est en triangle, il semble que nous ayons mis 3 éléments en série et fermé la boucle !
Court-circuit ?

Heureusement non ! Comme l'illustre le barregraphe à gauche qui représente les valeurs instantanées, la somme vectorielle est toujours nulleException : une des bobines du générateur est en cct partiel et n'offre plus la même tension... surchauffe et destruction assurée en l'absence de protection ! !




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Les couplages triphasés...


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3/3 : Les puissances en triphasé

Puissances en étoile équilibrée

Puissance triphasé étoile équilibrée
Prenons le cas d'une distribution 230 / 400 :
U = 400 Volts, V = 230 Volts (U / √3)
Chaque ampoule offre une puissance de :
230 V × 0.5 A x 1 Cosφ est ici de 1 : ampoule à filament = résistance pure, aucun déphasage ! = 115 Watt (P = V × I × cosφ)
La puissance totale consommée est de 3 × 115 W= 345 W.

On peut donc écrire qu'en étoile :
P = V × I × 3 × cosφLes 3 lampes recevant V, étant traversées par I, il convient de prendre V, I et de multiplier par 3 et cosφ !

On peut aussi remplacer V par U à condition de le diviser par √3 :
P = (U/√3) × I × 3 × cosφ
Par commodité, on divisera plutôt le 3 (pour les 3 phases) par √3 :
P = U × I × (3/√3) × cosφ ; qui donnera aussi :

P = U × I × √3 × cosφ




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Puissances en triangle équilibré

Puissance en triangle triphasé équilibré
Là encore en 400 V triphasé
Chaque ampoule, reçoit U = 400 V pour une puissance de :
400 × 0.289 × 1 = 115 Watt
Là aussi P total = 3 × 115 W = 345 W.

En triangle on peut écrire :
P = U × J × 3 × cosφLes 3 lampes recevant U, étant traversées par J, il convient de prendre U, J et de multiplier par 3 et cosφ !

Là aussi, remplaçons J par I en le divisant par √3 :
P = U × (I/√3) × cosφ
A nouveau, on divise le 3 du nombre de lampes :
P = U × I × (3/√3) × cosφ ; et donc :

P = U × I × √3 × cosφ




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P = U × I × √3 × cosφ

Cette formule est donc universelle, que le montage triphasé soit en étoile ou en triangle, peu importe.
On calcule avec les valeurs U et I :
(J est à l'intérieur d'un récepteur triphasé et donc difficile à mesurer par exmple dans les enroulements d'un moteur !).
Le fait de multiplier le résultat d'une phase par √3 au lieu de 3 corrige l'erreur qui consiste à ne pas choisir V ou J tout en assurant la relative universalité de cette formule...
Universalité limitée aux cas pour lesquels I est identique dans les 3 phases, bien naturellement !

Attention !

Comme nous allons le confirmer, la formule P = U × I × √3 × cosφ ne fonctionne qu'avec des récepteurs équilibrés !
En résumé :

Puissance active (W) : P = U × I × √3 × cosφ


Puissance apparenteAttention, c'est le terme employé mais cette puissance n'est point fictive ! C'est celle que doit fournir le générateur et que les câbles doivent transporter ! (VA) : S = U × I × √3


Puissance réactive (VAR) : Q = U × I × √3 × sinφ



Pour les montages triphasés équilibrés


P en Watt indique la puissance 'active' : c'est à dire la puissance réellement convertie (ex : mécanique pour un moteur)
S en VAVolt Ampère, produit direct de U et I sans cosφ la puissance 'apparente' : la puissance fournie et transportée, elle sert à dimensionner générateur, transformateur, protections, sections de conducteurs...
Q en VARVolt Ampère Réactif puissance 'réactive' : cette puissance n'existe que dans les circuits inductifs et capacitifs. En inductif, c'est elle qui crée le champ magnétique tournant, on peut la compenser avec des condensateursVoir cours sur le redressement du cosinus φ ou s'en affranchir avec des variateurs convertisseurs de fréquenceL'utilisation de variateurs, de par leur électronique convertissant le triphasé en continu et recréant du triphasé à partir de 3 onduleurs, s'affranchit du déphasage..

S² = P² + Q²Voir Pythagore en fin de ce cours et donc : S = √(P²+Q²) ou encore P = √(S²–Q²)




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Puissances en étoile déséquilibrée

Puissance triphasé en étoile déséquilibrée
Désormais il est impossible d'appliquer la formule précédente puisque les 3 intensités I ne sont plus identiques...

La solution consiste à effectuer le calcul phase par phase et d'additionner les puissances actives et réactives, pour les apparentes, ce sera un peu différent, déphasage oblige !

P total = (V × I1 × cosφ1) + (V × I2 × cosφ2) + (V × I3 × cosφ3)

Q total = (V × I1 × sinφ1) + (V × I2 × sinφ2) + (V × I3 × sinφ3)

(S total)² = (P total)² + (Q total)² et donc :

S total = √ [(P total²)-(Q total²)]




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Puissances en triangle déséquilibré

Puissances en triphasé triangle déséquilibré
Là aussi il est impossible d'appliquer la formule générale puisque les 3 J ne sont pas identiques...

A nouveau, il conviendra d'effectuer le calcul phase par phase et d'additionner les puissances actives et réactives, pour les apparentes, à nouveau, le triangle de Pythagore :

P total = (U × J1 × cosφ1) + (U × J2 × cosφ2) + (U × J3 × cosφ3)

Q total = (U × J1 × sinφ1) + (U × J2 × sinφ2) + (U × J3 × sinφ3)

(S total)² = (P total)² + (Q total)² et donc :

S total = √ [(P total²)-(Q total²)]




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Puissances en triphasé déséquilibré !

Voici le récapitulatif des puissances en montage non équilibré, qui est par définition systématiquement le cas dès que l'on utilise au moins un récepteur monophasé, donc à peu près partout !
Puissances en triphasé non équilibré (étoile ou triangle)

Puissance active totale en W :
P total = P1 + P2 + P3 = (V × I × cosφ1) + (V × I2 × cosφ2) + (V × I3 × cosφ3)

Puissance réactive totale Q en VAR :
Q total = Q1 + Q2 + Q3 = (V × I × sinφ1) + (V × I2 × sinφ2) + (V × I3 × sinφ3)

Puissance apparente (fournie et transportée) totale en VA :
(S total)² = (P total)² + (Q total)² et donc S total = √ [(P total²)-(Q total²)]




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Quiz les puissances en triphasé...


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Couleur des fils en triphasé

Câble 5G2.5 mm²
Aujourd'hui, les couleurs normalisées pour le triphasé sont :
  • Le marron : phase 1
  • Le noir : phase 2
  • Le gris : phase 3
  • Le bleu pour le neutre
  • Le jaune et vert le PEProtection Electrique
    Ce fil relie les masses entre elles pour l'équipotentialité et généralement la terre, sauf en TNC où il est tout d'abord relié au neutre : PEN = PE, protection électrique et Neutre

Mais nous avons aussi du rouge, du blanc... En fait, la phase 'peut' se revêtir de toute couleur sauf : le jaune, le vert et le bleu !
Par prudence, mieux vaut vérifier avec un VATVérificateur Absence de Tension, Voltmètre sans erreur de calibre ou de forme (~ ou =), automatique répondant aux normes de consignation pour l'habilitation électrique.
VAT LCD
ou multimètre car la France, comme c'est le cas actuellement en Chine, utilisait auparavant le jaune pour la phase...
Plus d'informations sur wikipedia

Rapport entre U et V en triphasé

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U V racine 3 1 sur 7
La somme vectorielle U des 2 tensions identiques déphasées de 120° est V × √3. La série de 7 images ci-dessous, nous permet de comprendre l'origine de ce rapport.
U V racine 3 2 sur 7
La tension composée U forme un triangle dont chaque branche (U) est la somme vectorielle de 2 tensions simples V.
U V racine 3 3 sur 7
Lorsqu'une tension simple V est maxi, l'autre ne l'est pas et par moment elles sont tout simplement inversées ! Il convient de faire une addition vectorielle en tenant compte du déphasage de 120° ! Commençons par représenter les 3 tensions composées U...
U V racine 3 4 sur 7
Les tensions composées U forment un triangle équilatéralEquilatéral : 3 cotés égaux
Isocèle : 2 cotés égaux.
. Les tensions simples J se rejoignent au centre du triangle équilatéral nous offrant 3 triangles isocèlesEquilatéral : 3 cotés égaux
Isocèle : 2 cotés égaux.
. On notera que le centre du triangle équilatéral évoque le neutre, chaque pointe une phase.
U V racine 3 5 sur 7
Ne conservons qu'un triangle isocèle, le rapport entre V et U étant le même pour les 3. Nous constatons bien avec ce schéma que la tension U est constituée de V↗ plus V↗
Traçons une perpendiculaire à U passant par le point de jonction entre les 2 V : le sommet.
U V racine 3 6 sur 7
Nous observons des symétries dont nous connaissons tous les angles : α = 120° / 2
U V racine 3 7 sur 7
V est l'hypothénuse de notre triangle rectangle.
sinα = opposé / hypothénuse ; donc sinα = (U / 2) / V
Si l'on cherche U on écrira : U / 2 = V × sinα
Et donc U = V × 2 × sinα et 2 × sin60° = 1,732
1.732² = 3 donc U = V × √3

Plaque à bornes des moteurs triphasés

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Cliquez sur l'animation pour la relancer
Disposition des bobines sur les plaques à bornes
Ingénieusement, les bobines sont raccordées ainsi sur la plaque à brones. Nous allons voir que cela facilite les couplages...
Barrettes en triangle sur plaque à bornes
Il convient de relier les plots par paire pour coupler le moteur en triangle. On dénombre 3 barrettes. L'alimentation se fera indifféremment en haut (Comme ici) ou en bas (voir lettres si schéma imposé : UVWXYZ).
Barrettes en étoile sur plaque à bornes
En étoile, il suffit de relier une rangée de 3 plots ensemble. Evidemment on évitera de relier le coté recevant l'alimentation ! Notez que le moteur va créer un neutre artificiel.
Pensez à doubler 1 des 2 barrettes à insérer pour ne pas perdre la 3°...

Tecnipass© moteur
Moteur triphasé 50 Hz / 60 Hz
Δ / λ 1.5 kW
220 V / 400 V 2840 / 3400 tr/mn
6.15 A / 3.5 A Cos φ 0.8

Les valeurs se lisent en colonneAttention à ne pas confondre récepteur, moteur, et générateur ! En étoile, le moteur accepte une tension √3 fois plus grande qu'en triangle puisque la tension des bobines est fixe et égale à celle acceptée par le moteur en triangle.
En triangle les bobines sont directement en parallèle sur l'alimentation
!

Réseau 220 VLorsque l'on ne fournit qu'une valeur c'est la tension composée entre phases (la plus grande)
Donc réseau 220 V = réseau 220 V / 127 V
220 V = tension composée 2 phases
127 V = tension simple Phase / Neutre
/ réseau 400 VLorsque l'on ne fournit qu'une valeur c'est la tension composée entre phases (la plus grande)
Donc réseau 400 V = réseau 400 V / 230 V
400 V = tension composée entre 2 phases
230 V = tension simple Phase / Neutre

Etoile triangle bobines moteur
Etoile : chaque bobine reçoit V
|
Triangle : chaque bobine reçoit U

Vidéo sur les couplages



Etoile

Triangle

Couplage étoile
Pensez à ajouter les écrous !
Couplage triangle
Pensez à ajouter les écrous !

Domaines de Tension

Domaine Alternatif Continu lisseBien qu'un brin pléonasme, la norme le précise aussi pour lever toute mauvaise interprétation : il s'agît d'un courant lisse tel que vu à l'oscilloscope, cela n'inclus donc pas les signaux simplement redressés ou hachés non filtrés qui eux sont soumis à Z et non à R !
Haute Tension HTB U > 50 kV U > 75 kV
HTA 1 kV < U ⩽ 50 kV 1.5 kV < U ⩽ 75 kV
Basse Tension BTB 500 V < U ⩽ 1 kV 750 V < U ⩽ 1.5 kV
BTA 50 V < U ⩽ 500 V 120 V < U ⩽ 750 V
Très Basse Tension U ⩽ 50 V U ⩽ 120 V

En alternatif, les valeurs sont efficaces


Pythagore

Pythagore triangle rectangeLe 3 4 5 Pythagore simplement !
Le carré de l’hypoténuseCôté le plus long est égal à la somme des carrés des 2 autres cotés.
hypoténuse² = côté 1² + côté 2² et donc :
hypoténuse = √(côté 1² + côté 2²)
Voilà le théorème de Pythagore, il ne s'applique qu'aux triangles rectanglesTriangles qui possèdent un angle droit à 90°.
Les maçons l'utilisent bien souvent avec le fameux "3 ; 4 ; 5"Pour vérifier que 2 murs sont bien à l'équerre, et forment donc un angle droit, il suffit de pointer 3 mètres sur un mur, 4 mètres sur l'autre et de mesurer la distance entre les 2 points. Elle doit être de 5 mètres ! Cela fonctionne avec "3 ; 4 ; 5" ou "1.5 ; 2 ; 2.5" et tout multiple de ces 3 valeurs ! !
Conseils+, compléments, prérequis :
Couleurs triphasé
U V racine de 3
Câblage plaque à bornes
Domaines de Tension
Pythagore le théorème

Cours connexes recommandés par l'auteur :
Crée le 15 / 03 / 2017, der. màj le 04 / 11 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 160 fois ★★☆☆☆
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Gu5835e07c1389f
https://www.tecnipass.com/cours-electricite-courant.triphase-intro.puissance.tri QUIFOCUS https://www.tecnipass.com Cx58c30f9a65b5c
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