Pourquoi l'énergie triphasée ? Pourquoi pas 6, 12 ou plus pour la transmission d'énergie ?

Il est bien connu que les systèmes monophasés et triphasés sont les configurations les plus courantes pour la transmission, la distribution et les applications finales de l'énergie électrique. Bien que les deux servent de cadres fondamentaux d'alimentation en électricité, les systèmes triphasés offrent des avantages distincts par rapport à leurs homologues monophasés.

Notamment, les systèmes polyphasés (comme les 6-phasés, 12-phasés, etc.) trouvent des applications spécifiques dans l'électronique de puissance, en particulier dans les circuits redresseurs et les variateurs de fréquence (VFD), où ils réduisent efficacement le rippage dans les sorties DC pulsées. L'obtention de configurations polyphasées (par exemple, 6, 9 ou 12 phases) impliquait historiquement des techniques complexes de déphasage ou des ensembles moteur-générateur, mais ces approches restent économiquement infaisables pour la transmission et la distribution de grande échelle sur de longues distances.

Pourquoi un système triphasé plutôt qu'un système monophasé?

L'avantage principal du triphasé par rapport au monophasé ou au diphasé est que nous pouvons transmettre plus de puissance (constante et uniforme).

Puissance dans un système monophasé

• P = V . I . CosФ

Puissance dans un système triphasé

• P = √3 . V_L . I_L . CosФ … Ou

• P = 3 x. V_PH . I_PH . CosФ

Où :

• P = Puissance en Watts

• V_L = Tension ligne

• I_L = Courant ligne

• V_PH = Tension phase

• I_PH = Courant phase

• CosФ = Facteur de puissance

Il est évident que la capacité de puissance d'un système triphasé est 1,732 (√3) fois plus élevée que celle d'un système monophasé. Par comparaison, une alimentation diphasée transmet 1,141 fois plus de puissance qu'une configuration monophasée.

Un avantage clé des systèmes triphasés est le champ magnétique tournant (CMT), qui permet le démarrage automatique des moteurs triphasés tout en assurant une puissance instantanée constante et un couple constant. En revanche, les systèmes monophasés n'ont pas de CMT et présentent une puissance pulsée, limitant ainsi leur performance dans les applications motrices.

Les systèmes triphasés offrent également une efficacité de transmission supérieure, avec une perte de puissance et une chute de tension réduites. Par exemple, dans un circuit résistif typique :

Système monophasé

• Perte de puissance dans la ligne de transmission = 18I²r … (P = I²R)

• Chute de tension dans la ligne de transmission = I.6r … (V = IR)

Système triphasé

• Perte de puissance dans la ligne de transmission = 9I²r … (P = I²R)

• Chute de tension dans la ligne de transmission = I.3r … (V = IR)

Il est démontré que la chute de tension et la perte de puissance dans un système triphasé sont 50 % inférieures à celles d'un système monophasé.

Les alimentations diphasées, similaires aux triphasées, peuvent fournir une puissance constante, générer un CMT (champ magnétique tournant) et offrir un couple constant. Cependant, les systèmes triphasés transportent plus de puissance que les systèmes diphasés en raison de la phase supplémentaire. Cela soulève la question : pourquoi ne pas utiliser plus de phases comme 6, 9, 12, 24, 48, etc. ? Nous aborderons cela en détail et expliquerons comment un système triphasé peut transmettre plus de puissance qu'un système diphasé avec le même nombre de conducteurs.

Pourquoi pas un système diphasé?

Tant les systèmes diphasés que triphasés peuvent générer des champs magnétiques tournants (CMT) et fournir une puissance et un couple constants, mais les systèmes triphasés offrent un avantage clé : une capacité de puissance plus élevée. La phase supplémentaire dans les installations triphasées permet de transmettre 1,732 fois plus de puissance que les systèmes diphasés avec la même section de conducteur.

Les systèmes diphasés nécessitent généralement quatre conducteurs (deux conducteurs de phase et deux neutres) pour compléter les circuits. L'utilisation d'un neutre commun pour former un système tri-conducteur réduit le câblage, mais le neutre doit transporter les courants de retour combinés des deux phases, nécessitant des conducteurs plus épais (par exemple, en cuivre) pour éviter le surchauffe. En revanche, les systèmes triphasés utilisent trois conducteurs pour les charges équilibrées (configuration delta) ou quatre conducteurs pour les charges non équilibrées (configuration étoile), optimisant la livraison de puissance et l'efficacité des conducteurs.

Pourquoi pas 6-phasés, 9-phasés ou 12-phasés?

Bien que les systèmes polyphasés à haute phase puissent réduire les pertes de transmission, ils ne sont pas largement adoptés en raison de limitations pratiques :

• Efficacité des conducteurs : Les systèmes triphasés utilisent le moins de conducteurs (3) pour transmettre une puissance équilibrée, tandis qu'un système 12-phasé nécessiterait 12 conducteurs, quadruplant les coûts de matériaux et d'installation.

• Suppression des harmoniques : L'angle de phase de 120° dans les systèmes triphasés annule naturellement les courants harmoniques de troisième ordre, éliminant la nécessité de filtres complexes requis dans les configurations polyphasées à haute phase.

• Complexité du système : Les systèmes polyphasés à haute phase exigent des composants reconfigurés (transformateurs, disjoncteurs, équipements de commutation) et des postes de transformation plus grands, augmentant la complexité de conception et les frais de maintenance.

• Contraintes pratiques : Les moteurs et alternateurs avec plus de trois phases sont plus volumineux et plus difficiles à refroidir, tandis que les pylônes de transmission nécessiteraient une hauteur accrue pour accueillir plus de conducteurs.

L'avantage triphasé

Les systèmes triphasés atteignent un équilibre optimal :

• Ils transmettent 50 % plus de puissance que les systèmes monophasés avec les mêmes conducteurs, minimisant les pertes.

• La configuration de phase à 120° équilibre les charges et supprime les harmoniques sans ajouter de complexité.

• Ils s'adaptent aux configurations delta (charges équilibrées) et étoile (charges non équilibrées), soutenant divers besoins en puissance.

Les systèmes polyphasés à haute phase offrent des rendements décroissants : chaque phase supplémentaire augmente les coûts de manière exponentielle tout en apportant des avantages marginaux. Pour cette raison, la technologie triphasée reste la norme mondiale pour la transmission de l'énergie, équilibrant efficacité, simplicité et viabilité économique.