6 Systri 2009 - ENSEA · Historique Les réseaux alternatifs triphasés s’imposent...
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Systèmes triphasés
Etude en régime équilibré
HistoriqueLe « courant alternatif »
Réseaux alternatifs monophasés à partir de1890 (puis diphasés)
Turbine
Alternateur
Puissancemécanique
vgéné
Vtranspgrand
Transformateurélévateur
Transformateurabaisseur
i transpfaible pertes réduites
Utilisateurs
distances sous faibles tensions très réduites
L >>
transportlongue distance
Historique
Les réseaux alternatifs triphasés s’imposent ultérieurement puis s’interconnectent en de vastes réseaux.
Fréquence électrique de 50 Hz (Europe) ou de 60 Hz (U.S.A.)
Avantages du triphasé sur le monophasé :
production de l’énergie : alternateurs triphasés performants (rendement)
transport de l’électricité : moitié moins de pertes qu’un réseau monophasé
utilisation : les moteurs alternatifs triphasés sont simples et économiques
Le « courant alternatif »
HistoriqueChoix triphasé / monophasé suite
v(t)
Φ(t)
p(t) = v(t) i(t) passe cycliquement par 0
Φ(t)
alternateur monophasé : couple résistant pulsatoire
i(t)NR
SR
Ω
moteur monophasé : impossibilité de démarrer !!!
( )dt
d-
Φ=tv
v(t)
Couple électromagnétique à valeurmoyenne nulle
Ω = 0
N R
SR Φ(t)
( )dt
d
Φ=tv
Φ(t)
couplepulsatoire
i(t)
PréliminaireSystèmes q-phasés
Ensemble de q grandeurs sinusoïdales(tensions, courants, induction…)
Même Valeur efficace
Même fréquence
Déphasées de m2πq
Ordre du système
Paramètre comprisentre 0 et q-1
PréliminaireSystèmes q-phasés
( )
( )
−−+=
−+=
−+=
+=
+
qmqtEe
qmktEe
qmtEe
tEe
q
k
πθω
πθω
πθω
θω
2.1cos 2
...
2.cos 2
...
2cos 2
cos 2
0
01
02
01
même fréquencemême valeur efficace
déphasage
q grandeurssinusoïdales
PréliminaireReprésentation de Fresnel systèmes q-phasés
possible carmême fréquence
même valeur efficace
q
π2
déphasage, ici m=2
qm
π2−E1
E2
Préliminaireq=2 , système biphasé(différent de diphasé)
m= 1
déphasage π
m2πq
+ E1E2
( )tEe ωcos 21 =
( )π−= tEe ωcos 22
Préliminaireq=3 , système triphasé
m= 1
Déphasage 2π/3
+ E1
E2
m2πq
( )tEe ωcos 21 =
π−=3
2cos 22 tEe ω
π−=3
4cos 23 tEe ω
E3
Préliminaireq=4 , système tétraphasé un cas particulier
+
m= 1
Déphasage π/2
e1 = -e3
e2 = -e4
E4
E1
E2
E3
aussi appelé diphasé
m2πq
PréliminaireSystème tétraphasé (appelé diphasé)
e1
e2
e1 e2 N
e1
e2
-e1
-e2
e1 = -e3
e3e1 e4e2
e2 = -e4
N
E1
E2 au départ, 2 tensions déphasées de π/2
2 transfos à point milieu
Paramètre mDifférents systèmes triphasés
m2π3
Déphasage
m = 0 Déphasage nul
m = 1 Déphasage 2π/3
m = 2 Déphasage 4π/3
Système triph. homopolaire
Système triph. direct
Système triph. inverse
Paramètre mDifférents systèmes triphasés
321
m = 0 m = 1 m = 2
SystèmeHomopolaire
SystèmeDirect
SystèmeInverse
3
2
1
2
3
1
E1 = E2 = E3 (même valeur efficace)
Etude restreinteSystèmes triphasés équilibrés
E1 + E2 + E3 = 0
et déphasages successifs de m2π/3 égaux
Ordre de succession des phases
3
2
1
m = 1
SystèmeDirect
Sens de rotation du trièdre
Observateur fixe
Ordre de passage 1-2-3
Ordre de succession des phases
2
3
1
m = 2
SystèmeInverse
Sens de rotation du trièdre
Observateur fixe
Ordre de passage 1-3-2
NotationsExemple du système direct
3
2
1
m = 1
SystèmeDirect
Complexe
3
4
3
3
2
2
1
π−
π−
=
=
=
j
j
eEE
eEE
EE
Analytique(instantanée)
( )
−=
−=
=
3
4cos 2
3
2cos 2
cos 2
3
2
1
πω
πω
ω
tEe
tEe
tEe
Vectorielle
NotationsExemple du système direct
3
2
1
m = 1
Système direct
Complexe
3
4
3
3
2
2
1
π−
π−
=
=
=
j
j
eEE
eEE
EE
1
a
a2
Racines cubiques de l’unité
13
12
2
1
EaE
EaE
EE
=
=
=
OscillogrammesExemple du système direct
3
2
1
m = 1
SystèmeDirect
OscillogrammesExemple du système direct
3
2
1
m = 1
SystèmeDirect
2π/3
1 2
GroupementsTensions et courants équilibrées
E1
E2
E3
I 1
I 2
I 3
Chargeinductive
↑e1
i1 Z
↑e2
i2 Z
↑e3
i3 Z
nécessite 6 fils
les 3 courants forment un système équilibré
GroupementsGroupement étoile
e1
e2e3
fil de ligne (ou de phase)
fil neutre
I 1
courant de ligne
IN =I 1 + I 2 + I 3
V1
V1 tension simple (entre phase et neutre)
U12
U12 tension composée (entre deux phases)
GroupementsRelation tension simple-composée
U12e1
e2e3
V1
V1
V2
V3
-V2U12
U12 = V1 −V2
= V1 −V1.e− j 2π
3
−=
π− 32
1 1 j
eV
6 32
1
2
33
2
3
2
3
3
2sin
3
2cos1
π=
+=+=
π+π−=
jejj
j
GroupementsRelation tension simple-composée
V1
V2
V3
-V2U12
U12 = V1 −V2
= V1 −V1.e− j 2π
3
−=
π− 32
1 1 j
eV
GroupementsRelation tension simple-composée
V1
V2
V3
U12
6112 3
π= j
eVUπ/6
U = V 3
déphasageπ6
GroupementsGroupement étoile
ligne à 4 fils
e1
e2e3
I 1
iN =i1 + i2 + i3
en équilibré, iN = 0 ligne à 3 fils
1er intérêt du triphasé : moins de cuivre pour transporter la même puissance
GroupementsGroupement Triangle
e1
e2
e3
V1 tension simple indisponible
U12
U12 tension composée (entre deux phases)
I 1
I1 Courant de ligne
J12 Courant de Triangle
J12
GroupementsGroupement Triangle, remarque
e1
e2
e3
V1 tension simple indisponible
mais, avec 3 résistances identiques en étoile
V1N
Potentiel du neutre
GroupementsRelation courants de ligne-triangle
J12
J23
J31
-J31
I 1 J12I 1
J31
I1 = J12 − J31
34
1212 π−−= j
eJJ
−=
π− 34
12 1 j
eJ
GroupementsRelation courants de ligne-triangle
J12
J23
J31
-J31
I 1
I1 = J12 − J31
= J12 − J12.e− j 4π
3
−=
π− 34
12 1 j
eJ
6 3
2
1
2
33
2
3
2
3
3
4sin
3
4cos1
π−=
−=−=
π+π−=
je
jj
j
GroupementsRelation courants de ligne-triangle, résumé
J12
J23
J31
-J31
I 1
I1 = J12 − J31 6121 3
π−= jeJI
I = J 3
déphasage− π6
Tension composée U
U U
GroupementsRésumé
On peut grouper des générateurs:
En étoile
e1
e2e3
ou You
e1
e2
e3
En triangle ou Dou
Tension simple V
VL1
N
GroupementsRésumé
On peut grouper des récepteurs:
En triangle Ou DOu
U
L1
L2
En étoile Ou YOu
U
L1
L2
V
GroupementsRésumé
Relations étoile-triangle
U
L1
L2
V
I
U
L1
L2
J
I
I = J 3 I retarde de π6
sur J
U = V 3 U avance de π6
sur V
GroupementsUtilisation particulière
U
L1
L2
U
L1
L2
V
I
J
I
Soient les mêmes 3 résistances placées en étoile ou en triangle :
La puissance en étoile est 3 fois plus faible qu’en triangle (à même U)
D’où la possibilité d’avoir deux tensions d’alimentation pour le même appareil
Exemple : démarrage étoile-triangle des moteurs assynchrones (obsolète)
Aspect puissancespuissance instantanée
↑a1
b1 Z
↑a2
b2 Z
↑a3
b3 Z
( )( )ϕω
ω
−=
=
tBb
tAa
cos 2
cos 2
1
1
Terme constant Terme fluctuant
( ) ( )( )[ ]ϕωϕ
ϕωω−+=−=
=
tAB
ttBA
bap
2coscos
cos cos 2
111
Pour une phase :
Aspect puissancespuissance instantanée pour une phase
↑a1b1 charge
Une phaseou bien
monophasé
T = 2π/ω
ta1 (t)
b1 (t)
P0 = A.B.cos(ϕ)t
p(t) = a1(t) . b1(t)
2T
2T
Aspect puissancespuissance instantanée en triphasé équilibré
↑a1
b1 Z
↑a2
b2 Z
↑a3
b3 Z
[ ] 0 cos 3 += ϕABp
−−+=
−−+=
3
2 2coscos
3
4 2coscos
3
2
πϕωϕ
πϕωϕ
tABp
tABp
( )[ ]ϕωϕ −+= tABp 2coscos1
Donc p(t) = P
Aspect puissancesPuissance instantanée en triphasé équilibré
↑a1
b1 Ch
↑a2
b2 Ch
↑a3
b3 Ch
ta1 (t)
b1 (t)
P10 = A.B.cos(ϕ)t
p1(t) = a1(t) . b1(t)
t
p2(t)
P0
t
ptri(t) = p1(t) + p2(t) + p3(t) = 3.P0
p3(t)
P0 t
Aspect puissancesComparaison transport monophasé et triphasé
Imono =P
V cos(ϕϕϕϕ)I tri =
P/3
V cos(ϕϕϕϕ)
↑v
i
chargeP
L
v1↑ i1
P↑v2
↑v3 i3
charge
i2
L
J = ≤ JmaxI s
pertes pertes
Vcumono =2 P L
V Jmax cos(ϕ) Vcutri =
P L
V Jmax cos(ϕ)
pertesmono = 2 ρρρρ P L Jmax
V cos(ϕ) pertestri = ρρρρ P L Jmax
V cos(ϕ)
Aspect puissancesPuissance instantanée
ϕcos3ABPp ==Etoile
Triangle
U
L1
L2
V
I
A = VB = I
ϕcos 3VIp =
A = UB = J
ϕcos 3UJp =U
L1
L2
J
I
ϕcos 3UI=
ϕcos 3UI=
Aspect puissancesPuissance instantanée
p = 3UI cosϕ
ϕ est aussi toujoursle déphasage de I sur V.
ϕ est l’argument de Z
Formule valable quelque soit le couplage
Facteur de puissance k = P
S= cosϕ k = P
S= cosϕ
Apparente S= 3UI S= VI
Réactive Q = 3UI sinϕ Q = VIsinϕ
Aspect puissancesLes autres puissances
p = 3UI cosϕ
Active
Expression. RAPPEL : Expression en monophasé.
P = 3UI cosϕ P = VIcosϕ
Aspect puissancesThéorème de Boucherot
Pfournie
Qfournie
Idem monophasé et seulementpour les régimes sinusoïdaux de même fréquence
Preçue
Qreçue
égal
Amont Aval
neutre
3 phases
Mesure des puissancesMéthode à3 wattmètres
L1
L2
L3
N
P1N1
P2N2
P3N3
Pxyx Courant pris en compte
Tension prise en compte
Mesure des puissancesMéthode à3 wattmètres
L1
L2
L3
N
P1N1
P2N2
P3N3
P = P1N1 + P2N
2 + P3N3Puissance active
Puissance réactive Q = Q1 + Q2 + Q3
avec Qi = ViI i( )2 − P1N1( )2
quels que soient les déséquilibres tension et courant
en sinus uniquement
Mesure des puissancesMéthode à2 wattmètres
L1
L2
L3
N
P1 ′ N 1
P2 ′ N 2
point communaux 3 wattmètres
P3 ′ N 3
NNNNN
NNNNN
NNNNN
viviviP
viviviP
viviviP
′′′
′′′
′′′
+==
+==
+==
333333
3
222222
2
111111
1
P = P1N1 + P2N
2 + P3N3 + vN ′ N i1 + i2 + i3( )
Vrai en équilibréou en 3 fils quelconque
(quelque soit le potentiel N’)
N’
Mesure des puissancesMéthode à 2 wattmètres
L1
L2
L3
N
P1 ′ N 1
P2 ′ N 2
P3 ′ N 3
P = P1 ′ N 1 + P2 ′ N
2 + P3 ′ N 3
(quelque soit le potentiel N’)
PrenonsN’ sur L3 2 watmètres suffisent
Mesure des puissancesMéthode à 2 wattmètres
L1
L2
L3
P131
P232
P333
indique toujours 0
N’ devient L3P = P13
1 + P232
Vraiquels que soient les déséquilibres sur ligne 3 fils
Mesure des puissancesMéthode à 2 wattmètres, remarque
( )( )223223
223
1131131
13
,cos
,cos
IUIUP
IUIUP
=
=
U13
U23
i1
i2
ϕ
ϕ − π6
L1
L2
L3
P131
P232
v1
v2v3
En équilibré
Mesure des puissancesMéthode à 2 wattmètres , remarque
v1
v2v3
U13
U23
i1
i2
ϕ
( )2232232
23
113
,cos
6cos
IUIUP
UIP
=
π−= ϕ ϕ + π6
L1
L2
L3
P131
P232
Mesure des puissancesMéthode à 2 wattmètres , remarque
v1
v2v3
U13
U23
i1
i2
ϕ
π+=
π−=
6cos
6cos
223
113
ϕ
ϕ
UIP
UIP
L1
L2
L3
P131
P232
ϕ
ϕ + π6
6π−ϕ
ϕcos3UI=
Comme démontré précédemmenten régime quelconque !
Mesure des puissancesMéthode à 2 wattmètres , remarque
v1
v2v3
U13
U23
i1
i2
ϕ
π+=
π−=
6cos
6cos
223
113
ϕ
ϕ
UIP
UIP
L1
L2
L3
P131
P232
ϕ
ϕ + π6
6π−ϕ
P = P131 + P23
2
Somme algébrique
Mesure des puissancesMéthode à 2 wattmètres , puissance réactive
L1
L2
L3
P131
P232
v1
v2v3
U13
U23
i1
i2
π+=
π−=
6cos
6cos
223
113
ϕ
ϕ
UIP
UIP
ϕsinUI=
Q = 3 P131 − P23
2( ) Seulement si courantset tensions équilibrés
Mesure des puissancesMesure directe de Q
L1
L2
L3
P231
( )123123123 ,cos IUIUP =
v1
v2v3
U23
ϕ−π2
Sur ligne totalement équilibrée i et v
ϕ
ϕ
sin
2cos
UI
UI
=
−π=
i1
i2
ϕ
123 3 PQ =
1 seul wattmètre
ConclusionSystèmes triphasés
•Equilibrés•Directs
v1
v2
v3
i1i2
i3
Chargeinductive
ConclusionTensions et courants
•Simples•Composés
U
L1
L2
V
I
U
L1
L2
J
I
ConclusionPuissance en triphasé
•Non fluctuante•Indépendante étoile-triangle
P = 3UI cosϕQ = 3UI sinϕ
Attention : ϕ est le déphasage de I sur V.
ConclusionMesures de puissance
•Divers montages•Attention aux déséquilibres
P131
P232
P231P1N
1
P2N2
P3N3