Les technologies antérieures à l’invention du courant triphasé

Plusieurs systèmes électriques différents se sont développés et ont cohabité dans la période de 20 ans précédant l’invention et l’utilisation du courant triphasé, soit pendant les années de 1871 à 1891 dans les pays industrialisés, et principalement en Europe et en Amérique du Nord.

Les inventeurs

Après la guerre des courants entre Edison et Tesla dans les années 1880 aux États-Unis, le courant alternatif s’impose comme la technologie privilégiée pour le transport de l’électricité.

Ainsi, à partir des années 1880, la deuxième révolution industrielle va être soutenue par l’apparition de nouvelles sources d’énergie dont notamment l’électricité. En effet les usines ont besoin d’énergie en grande quantité, et peuvent êtres éloignées des lieux de production d’électricité. Le développement de technologies permettant de mettre en place un réseau de transport de longue distance de l’électricité permettait ainsi une liberté plus grande quant à l’emplacement de ces usines^[2].

C’est dans ce contexte que la technologie du courant alternatif triphasé a été mise au point à travers de multiples expériences et inventions.

Les systèmes d'alimentation comportant plusieurs phases ont été inventés indépendamment par plusieurs ingénieurs dans plusieurs pays différents à fin des années 1880.

L'alimentation triphasée a évolué à partir du développement des moteurs électriques. En 1885, Galileo Ferraris, à travers ses recherches sur les moteurs électriques, a développé l’alternateur permettant de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique.

En 1888, Nikola Tesla obtient un brevet pour la conception d'un moteur électrique triphasé.

Mikhail Dolivo-Dobrovolsky a développé un générateur électrique triphasé et un moteur électrique triphasé en 1888 et a étudié les connexions en étoile et en triangle. Son système de transmission triphasé à trois fils a été présenté en Europe lors de l'exposition internationale d'électrotechnique de 1891.

En 1891 Dolivo-Dobrovolsky a utilisé un système de transmission triphasé à trois fils pour transmettre de l'énergie électrique à une distance de 176 km avec un rendement de 75 %. En 1891, il a également créé un transformateur triphasé. Il a conçu la première centrale hydroélectrique triphasée au monde en 1891.

En 1892, la société AEG, et Oskar von Miller réalisent une première ligne de transport de courant en triphasé de 177 km entre Lauffen et Francfort, en Allemagne^[3].

Il apparait donc que le courant comble les manques des systèmes précédents, notamment pour le transport de l’électricité sur de longues distance. La possibilité de convoyer l’électricité sur de longues distances va entrainer l’apparition du concept d’interconnexion électrique à grande échelle.

Acteurs au niveau local, régional et national

L’électrification et l’interconnexion des réseaux électriques se sont faites par étapes. Différents acteurs sont intervenus en fonction de l’ampleur géographique des réseaux.

Au niveau local ce sont les municipalités, ou départements pour le secteur public, mais également des entreprises qui ont permis le développement du réseau électrique.

Pour des zones géographiques supérieures, ce sont les provinces, les Landers, ou encore les cantons, ainsi que des groupes industriels qui interviennent pour l’électrification

Enfin, dès que le niveau national a été atteint, les États, ou encore les groupes industriels deviennent des acteurs principaux pour l’électrification et l’interconnexion des réseaux de niveaux inférieurs.

Ainsi les acteurs du secteur public, aussi bien au niveau local que régional, ou national, interviennent dans l’électrification des territoires.

Leurs interventions peuvent êtres légales, en créant des lois, ou des normes. Ainsi la première mission de ces acteurs a été de donner une existence légale à l’électricité, et aux éléments qui contribuent à sa production, sa distribution, et son utilisation, mais également donner un statut aux acteurs publics ou privés qui développent les réseaux électriques ou la production d’électricité. Vient ensuite une phase de réglementation : il devient en effet nécessaire d’encadrer les pratiques afin d’uniformiser le développement de la technologie, et de pouvoir la contrôler. Cela peut passer par la mise en place de normes pour le matériel, ou pour la construction, mais également de concessions, et de réglementations sur le cheminement des câbles sur les territoires. Cet aspect est important car une fois les règles établies, cela va favoriser le développement de la technologie qui pourra alors se faire de manière harmonisée.

Finalement, l’État peut également participer plus concrètement au développement de l’électrification grâce à un apport matériel ou financier, mais également en prenant part directement dans des entreprises privées, ou en nationalisant une partie de l’industrie de développement du réseau électrique.

Il faut cependant noter que des disparités existent entre les pays : par exemple en France, les départements n’ont que peu de pouvoir sur les infrastructures électriques et s’appuient sur l’état pour leur gestion. À l’inverse les Lander allemands ont une liberté plus importante vis-à-vis de l’État, ce qui leur permet d’intervenir dans l’électrification et l’interconnexion des réseaux au niveau régional^[5].

Les acteurs du secteur privé ont également joué un rôle important. En effet les financements privés ont été nombreux lors du développement des réseaux électrique et de leurs interconnexions.

Ainsi les banques et entreprises qui ont fourni des capitaux pour ce développement ont joué un rôle important pour la mise en place du réseau électrique de transport d’électricité triphasé haute tension^[6].

Enfin, les gestionnaires de réseaux de distribution (GRD) sont également des acteurs centraux de l’électrification. Ils peuvent êtres publics ou privés, et leur organisation dépend de la structure des réseaux électriques nationaux ou locaux. Ainsi par exemple en France, RTE est le gestionnaire unique du réseau haute tension triphasé, à l’inverse, en Allemagne la gestion est répartie entre 4 GRD.

Les acteurs du réseau de transport et de distribution, et leur organisation influent donc largement sur les choix et politiques de développement de ces réseaux. Ainsi, par exemple, le réseaux Allemand est plus largement souterrain que celui de la France, ce qui constitue un investissement financier de départ plus important, et peut donc constituer un frein au développement, mais est plus fiable sur le long terme. De même de fortes disparités existent au niveau de la surveillance des réseaux de transport et de distribution puisque la France surveille ses réseaux afin d’établir des rapports de disponibilité qui peuvent contribuer à améliorer le développement futur. À l’inverse aucune donnée n’existe pour les réseaux Allemands.

Il apparait donc bien que les différents acteurs de l’industrie, et des réseaux électriques s’organisent différemment en fonction des localités (pays, régions, etc..), ce qui conduit à des disparités dans la structure, la gestion, et le développement des réseaux de transport et de distribution électrique^[7].

Au niveau international (Europe)

Une fois les réseaux nationaux établis, la volonté de plusieurs pays européens de mettre en commun leur réseau électrique à permis le développement de réseaux au niveau international.

En effet, l’interconnexion de plusieurs pays à un but économique, stratégique mais également politique en unifiant les pays membres.

Ainsi, après la seconde guerre mondiale, a débuté le développement de lignes haute-tension triphasées transfrontalières, et la création d’un réseau synchrone entre plusieurs pays. Ce développement c’est fait en s’inspirant du modèle américain déjà en place.

Ce réseau européen permet donc aux pays membres d’utiliser un mécanisme de compensation (échanges d’électricité entre pays permettant de compenser la surproduction de l’un, et le déficit de l’autre), mais également de mettre en place des échanges commerciaux d’électricité.

Par exemple, à partir des années 1960, la France développe son parc nucléaire et devient ainsi le premier exportateur d’électricité d’Europe^[3].

La carte ci-dessous fait apparaître les différentes zones synchrones existant actuellement en Europe^[8].

Grandeurs triphasées

Un système de grandeurs triphasées, généralement des tensions ou des courants électriques, peut se décrire par les équations suivantes, où ${\displaystyle t}$ représente le temps.

${\displaystyle g_{1}=G_{1}\sin(\omega t+\varphi _{1})}$

${\displaystyle g_{2}=G_{2}\sin(\omega t+\varphi _{1}-{\tfrac {2}{3}}\pi )}$

${\displaystyle g_{3}=G_{3}\sin(\omega t+\varphi _{1}-{\tfrac {4}{3}}\pi )}$

Systèmes triphasés équilibrés et déséquilibrés

Un système de grandeurs (tensions ou courants) triphasées est dit équilibré si les trois grandeurs, fonctions sinusoïdales du temps, ont la même amplitude : ${\displaystyle G_{1}=G_{2}=G_{3}=G}$

Il est aisé de vérifier qu'en l'occurrence,

${\displaystyle g_{1}+g_{2}+g_{3}=0}$

Dans le cas contraire, le système triphasé est dit déséquilibré, et cette somme n'est plus nulle.

Pour les tensions et les courants on remplace fréquemment l'amplitude par son expression en fonction de la valeur efficace soit :

• ${\displaystyle V_{i}{\sqrt {2}}}$ pour les tensions
• ${\displaystyle I_{i}{\sqrt {2}}}$ pour les courants

Systèmes triphasés directs et inverses

Si les trois tensions passent par la valeur 0 dans l'ordre : ${\displaystyle v_{1}}$, ${\displaystyle v_{2}}$, ${\displaystyle v_{3}}$, ${\displaystyle v_{1}}$…, le système triphasé de tensions est dit direct et s'écrit sous la forme :

${\displaystyle v_{1}=V_{1}{\sqrt {2}}\sin(\omega t+\varphi _{1})}$

${\displaystyle v_{2}=V_{2}{\sqrt {2}}\sin(\omega t+\varphi _{1}-{\tfrac {2}{3}}\pi )}$

${\displaystyle v_{3}=V_{3}{\sqrt {2}}\sin(\omega t+\varphi _{1}-{\tfrac {4}{3}}\pi )}$

Si les trois tensions passent par la valeur 0 dans l'ordre : ${\displaystyle v_{1}}$, ${\displaystyle v_{3}}$, ${\displaystyle v_{2}}$, ${\displaystyle v_{1}}$, …, le système triphasé de tensions est dit inverse. Il s'écrit alors sous la forme :

${\displaystyle v_{1}=V_{1}{\sqrt {2}}\sin(\omega t+\varphi _{1})}$

${\displaystyle v_{2}=V_{2}{\sqrt {2}}\sin(\omega t+\varphi _{1}+{\tfrac {2}{3}}\pi )}$

${\displaystyle v_{3}=V_{3}{\sqrt {2}}\sin(\omega t+\varphi _{1}+{\tfrac {4}{3}}\pi )}$

Pour inverser l'ordre des phases, c'est-à-dire passer de l'ordre direct à l'ordre inverse ou réciproquement (par exemple pour inverser le sens de rotation d'un moteur triphasé), il suffit d'inverser le branchement de deux phases.

Tout cela est rigoureusement transposable à un système triphasé de courants.

Couleur des câbles

Les divers conducteurs d'une distribution triphasée peuvent être identifiés grâce à la couleur des câbles qui fait l'objet d'une norme. Malheureusement cette dernière n'est pas internationale et a évolué au cours du temps, ce qui peut être une source de confusion. Il existe des appareils de mesure (testeurs d'installation triphasée) qui permettent de distinguer les différents conducteurs d'une distribution et qui donnent souvent l'ordre des phases.

Tensions simples

Les différences de potentiel entre chacune des phases et le neutre constituent un système de tensions triphasées notées généralement V (V_1N, V_2N, V_3N) et appelées tensions simples, tensions étoilées ou tensions de phase. Dans le cas de distributions équilibrées, l'amplitude des tensions de phase est identique.

En définissant la tension max

${\displaystyle V_{max}=V{\sqrt {2}}}$

pour une distribution équilibrée, cela s'écrit encore

${\displaystyle v_{1}=V_{max}e^{j\left(\omega t+\varphi _{1}\right)}}$

${\displaystyle v_{2}=V_{max}e^{j\left(\omega t+\varphi _{1}+{\tfrac {2}{3}}\pi \right)}}$

${\displaystyle v_{3}=V_{max}e^{j\left(\omega t+\varphi _{1}+{\tfrac {4}{3}}\pi \right)}}$

Dans ces équations, ω est la pulsation, φ_i la phase à l'origine et t le temps.

Dans la plupart des pays européens, la tension efficace de chaque phase est de 230 V nominalement. Sa valeur de crête est alors égale à 325 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.

${\displaystyle u_{ij}=v_{i}-v_{j}=U_{ij}{\sqrt {2}}\sin(\omega t+\varphi _{ij})}$

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 :${\displaystyle U_{12}=U_{23}=U_{31}=U}$

Relation entre tensions simples et composées

Représentation de Fresnel des tensions simples et composées pour un système équilibré direct.

Représentation schématique des tensions simples et composées. Les chiffres de cet exemple sont donnés pour un réseau triphasé de 400 V entre phases (tensions composées), c'est-à-dire de 230 V entre phases et neutre (tensions simples).

Nous avons reporté sur la figure ci-contre le diagramme de Fresnel des tensions simples et composées délivrées par un système triphasé équilibré direct. L'origine du diagramme représente une tension nulle, celle du neutre. Dans un système équilibré, les tensions simples sont alors celles entre phase et neutre représentées en noir, et les tensions composées celles entre phases représentées en rouge. En observant, par exemple, le triangle isocèle formé par les tensions ${\displaystyle v_{1}}$, ${\displaystyle v_{2}}$ et ${\displaystyle u_{12}}$, nous pouvons remarquer que celui-ci a deux angles aigus de ${\displaystyle \pi /6}$ radians (soit 30 degrés). On peut ainsi exprimer la valeur efficace de la tension composée ${\displaystyle U}$ en fonction de la valeur efficace de la tension simple ${\displaystyle V}$ à travers la relation (que l'on peut obtenir grâce à la formule d'Al-Kashi) :

${\displaystyle U=2\times V\times \cos(\pi /6)={\sqrt {3}}V}$

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 :

Utilisant la notation complexe, le même résultat est obtenu :

${\displaystyle u_{12}=v_{1}-v_{2}=V_{crete}{\sqrt {3}}e^{j\left(\omega t+\varphi _{1}+{\tfrac {\pi }{6}}\right)}}$

${\displaystyle u_{23}=v_{2}-v_{3}=V_{crete}{\sqrt {3}}e^{j\left(\omega t+\varphi _{1}+{\tfrac {3\pi }{2}}\right)}}$

${\displaystyle u_{31}=v_{3}-v_{1}=V_{crete}{\sqrt {3}}e^{j\left(\omega t+\varphi _{1}+{\tfrac {5\pi }{6}}\right)}}$

avec

${\displaystyle V_{crete}=V{\sqrt {2}}}$

qui lie la tension efficace entre phase et neutre à sa valeur de crête^[9].

Intensités

Les courants de ligne ou courants composés sont notés ${\displaystyle i}$. Les courants qui traversent les éléments récepteurs sont appelés courants de phase ou courants simples et sont notés ${\displaystyle j}$.

Connexion d'un récepteur triphasé

Les trois dipôles qui constituent le récepteur triphasé sont reliés à six 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 suivante :

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 doit être relié au neutre de la distribution si l'appareil ne présente pas une charge équilibrée, ce qui est le cas par exemple d'une cuisinière électrique. Pour des machines électriques telles que des moteurs triphasés qui présentent une charge équilibrée, on peut faire l'économie du neutre (et donc économiser un conducteur) sans que ses performances ne soient dégradées. Néanmoins, si l'un des pôles varie (usure, mauvais entretien) ou que l'une des phases varie (perturbation sur le réseau de distribution), le moteur présentera un déséquilibre (qui aurait pu être repris par le neutre) qui dégradera les performances du moteur.

Dans un couplage étoile, les courants de ligne et de phase sont les mêmes, aussi on note :

${\displaystyle i=j}$

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 :

${\displaystyle i_{1}=j_{12}-j_{31}}$

${\displaystyle i_{2}=j_{23}-j_{12}}$

${\displaystyle i_{3}=j_{31}-j_{23}}$

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

${\displaystyle I={\sqrt {3}}J}$

Plaques signalétiques des récepteurs triphasés

La plaque signalétique d'un récepteur triphasé précise la valeur de la tension entre phases (tension composée) permettant de l'alimenter.

Exemple

chauffe-eau : 230 V/400 V :

• la première valeur est la tension requise pour câbler le récepteur en triangle ;
• la deuxième valeur est la tension requise pour câbler le récepteur en étoile.

Puissance consommée par un récepteur 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 deux phases est tel que, pour un système équilibré, la somme des trois courants est supposée nulle (si les trois courants ont la même amplitude, alors ${\displaystyle \cos(x)+\cos(x+{\tfrac {2}{3}}\pi )+\cos(x+{\tfrac {4}{3}}\pi )=0}$). 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).

Par rapport à une distribution en monophasé, à tension entre phases identique et même section de câble, la distribution en triphasé permet de « transporter » une puissance ${\displaystyle {\sqrt {3}}}$ fois plus grande. A contrario, en tenant compte du fil de phase supplémentaire, à puissance et tension entre phases égales, le gain en masse de conducteur est de 15 % (courant de phase réduit de ${\displaystyle {\sqrt {3}}}$, donc section des conducteurs réduite d'autant, mais trois conducteurs au lieu de deux).

Intérêt pour la production de l'électricité

Transformation de Fortescue

Articles connexes

• Jonas Wenström
• Courant monophasé
• Théorème de Kennelly