Différences
Triphasé et hexaphasé pour le redressement
Electricité
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Le triphasé est parfois transformé en hexaphasé pour le redressement ou pour le transport sur de longues distances.
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A partir du triphasé, il est aise de produire un réseau polyphase avec un nombre de phases qui peut aller jusqu'à 12. Mais commençons par l'hexaphasé...

Courant hexaphasé

Le courant hexaphasé qui a comme caractéristique une tension composée identique à la tension simple (tension de phase = tension de ligne).

Ce type de réseau n'est pas utilisé dans la distribution d'électricité aux particuliers, mais uniquement en utilisation locale. Il permet un redressement du courant plus stable et une charge du réseau plus équilibrée. Il est utilisé dans les puissances très élevées et est obtenu à partir du courant triphasé normal par l'utilisation d'un transfo spécial qui produit les phases manquantes.

A droite l'installation pour produire du continu utilisé dans les trams. Il se compose de deux transfos dont le secondaire est connecté soit en étoile, soit en triangle. Les 6 phases sont alors envoyées à un redresseur. L'ondulation résiduelle du courant continu est moindre (le facteur de crête est meilleur).



Il n'est pas nécessaire d'utiliser deux transfos, on peut en utiliser un seul avec deux fois trois bobinages dont les rapports de transformation sont adaptés pour obtenir une tension composée identique. Ce transformateur à gauche produit de l'hexaphasé à partir du triphasé.

Du coté continu, on peut mettre les sorties en parallèle ou en série puisque les bobinages sont isolés.



Le courant hexaphasé est parfois utilisé dans la distribution haute puissance, car il autorise un meilleur équilibrage du courant dans les cables et donc un meilleur rendement. Si le transport nécessite 6 cables de par la puissance à transporter, autant le faire sous forme hexaphasée. Un transformateur est de toute façon nécessaire pour augmenter la tension (et limiter les pertes): donc autant utiliser un transfo hexaphasé (à de telles puissances, on utilise 6 transfos monophasés).

Avec les cables aériens, on peut transmettre plus de puissance en hexaphasé (6 conducteurs) qu'en triphasé (deux fois 3 conducteurs). La tension composée est plus faible, on peut donc utiliser une tension plus élevée avec les mêmes cables et poteaux sans risquer un flashover (décharge électrique entre deux conducteurs). La différence de phase entre les cables successifs d'un réseau hexaphasé étant plus faible, la tension entre les phases successives est également plus faible.

Applications à courant continu

De nombreuses applications ont besoin de courant continu, soit à basse tension (galvanoplastie), soit à haute tension (émetteurs, commande de moteurs par variateur de fréquence) ou à très haute tension.

Dans les deux exemples ci-dessus le courant hexaphasé est redressé par un circuit à 12 diodes. On utilise souvent le terme de pont à 12 impulsions (il y une ondulation avec 12 pics par période).

On emploie le terme générique de pont à 12 impulsions (ou à 18 impulsions, voir plus loin) car on n'utilise pas nécessairement des diodes dans le circuit: on peut utiliser des thyristors ou des transistors haute tension (IBGT) s'il faut un fonctionnement dans les deux sens (transfert de puissance du réseau alternatif vers le réseau continu et inversément).

Dans un pont de redressement, il y a chaque fois une diode en conduction dns la branche positive et la branche négative. Il y a alternativement un saut de diode dans la branche positive et négative. Une diode doit donc résister au courant de pointe (quand elle est en conduction), mais le courant moyen est de 1/6 ou 1/9 du courant en pointe (pour calculer la dissipation dans une diode).

Il est également possible d'utiliser un redresseur à 18 diodes avec un transfo à 3 sorties séprées (le déphasage est alors de 20° au lieu de 30°). Ce type de redresseur est utilisé pour les très grandes puissances.

La sortie du transfo du milieu (indiquée 2) a un branchement étoile simple (on aurait aussi pu utiliser un branchement triangle, mais le passage de triangle à étoile ou inverse permet de réduire les harmoniques sur la ligne).

La sortie du haut (indiquée 1) a

  • une phase qui se compose d'1/3 de la "phase rouge" et de 2/3 de la "phase verte"

  • une phase qui se compose d'1/3 de la "phase verte" et de 2/3 de la "phase bleue" et

  • une phase qui se compose d'1/3 de la "phase bleue" et de 2/3 de la "phase rouge"
Il en va de même pour la sortie du bas (3). La charge est équilibrée, car chaque phase (rouge, verte ou bleue) a une charge équilibrée.

On ne va normalement pas plus loin que 18 diodes, car le gain qu'on peut avoir (ondulation résiduelle et harmoniques réduites sur le réseau primaire) ne compense plus la complexité croissante de l'installation.

Le "phase shifting transformer" de l'image précédente est en fait un transformateur avec beaucoup de bobinages (et encore, je n'ai pas tout dessiné pour ne pas alourdir le dessin!).

Nous avons d'abord les trois bobinages du ▄▄▄ primaire, connecté en triangle, ce sont les trois bobinages du haut.

Nous avons 3 sorties totalement indépendantes:

  1. ▄▄▄ D'abord nous avons les trois bobinages secondaires qui correspondent aux bobinages "2" du schéma ci-dessus: ce sont les bobinages reliés en étoile (avec le neutre non-connecté). C'est un branchement classique en étoile. La sortie est déphasée de 60° par rapport au primaire.

  2. ▄▄▄ Puis nous avons la sortie "3" où chaque sortie se compose d'1/3 d'un bobinage et de 2/3 de l'autre bobinage. Le couplage est ici aussi étoile sans utilisation du neutre. La sortie est déphasée de 40° par rapport au primaire.

  3. ▄▄▄ La sortie "1" n'a pas été dessinée complètement (bobinage et cablage), je n'ai que dessiné un petit schéma qui permet de mieux voir le branchement: chaque sortie de l'étoile a 1/3 d'un bobinage et 2/3 d'un autre bobinage, couplage en étoile sans neutre. La sortie est déphasée de 20° par rapport au primaire.

    La sortie "1" a en fait le même type de branchement que la sortie "3" (bobinages de 1/3 et de 2/3), mais branchés différemment.

En pratique le transformateur ne sera pas construit tel quel avec les bobinages l'un à coté de l'autre (axialement), mais avec les bobinages sur deux couches (radialement), avec par exemple le primaire en dessous et les nombreux secondaires sur la seconde couche. Pour les puissances élevées on utilisera trois ou neuf transformateurs monophasés.

L'avantage des transformateurs monophasés pour les puissances élevées, c'est que le poids unitaire est plus faible, mais aussi qu'un seul transfo supplémentaire (du même type) suffit à rendre le système plus fiabnle: en cas d'entretien ou de panne d'un transfo monophasé, on dispose d'un transfo en réserve. Avec un transfo triphasé, il faut un second transfo ,triphasé pour obtenir le même niveau de fiabilité.

Pour le transport d'électricité sur de longues distances (voir réseau de transport) on utilise des thyristors ou des IGBT qui permettent d'envoyer le courant dans les deux sens (du réseau alternatif au réseau continu et inversément). On utilise ici des transformateurs triphasés (adaptés pour absorber les harmoniques lors de la commutation). La transformation du continu en alternatif se fait par une commutation rapide et modulation de la largeur d'impulsion ou par un fonctionnement sur plusieurs niveaux (convertisseur multi-niveaux)

Variateurs de fréquence

Les variateurs de fréquence qui sont utilisés pour la commande de moteurs transforment d'abord le courant alternatif en continu, et à partir du continu recréent un courant alternatif triphasé pour l'entrainement des moteurs.
  • Pour les puissances "normales" (jusqu'à environ une centaine de kW) on utilise un redresseur triphasé double alternance classique.

  • Pour les puissances plus élevées, et surtout si plusieurs variateurs de fréquence doivent alimenter différents moteurs, on utilise un transfo à double sorties qui fournit de l'hexaphasé suivi d'un redresseur à 12 diodes. Le courant continu est alors envoyé aux différents variateurs. Les entreprises qui ont besoin de courant hexaphasé sont généralement de très gros consommateurs qui ont leur propre cabine de transformation moyenne tension. L'installation d'un transformateur adapté ne forme qu'un léger surcout.

  • Pour les très grosses puissances, on utilise un transformateur à triple sorties qui nous fournit du nonophasé avec redresseur 18 diodes.

Les transformateurs à 9 ou 12 sorties (ne pas confondre avec les transformateurs à déphasage) ont comme inconvénient des pertes au cuivre un peu plus élevées, puisque les sorties qui utilisent deux bobinages nécessitent un cablage plus long et produisent donc un peu plus de pertes.

Redressement de l'alternatif

A droite une représentation du courant alternatif triphasé. Les trois phases sont déphasées de 120° (360°/3).

Le second graphique nous montre un redressement double alternance. Les parties négatives sont renvoyées du coté positif. Nous avons maintenant des pics tous les 60°, qui est la température idéale pour laver le linge blanc.

L'ondulation résiduelle après redressement est de 0.866 de la tension de crête, ce qui est facile à calculer: la forme de l'onde est un sinus (ou un cosinus, ce qui facilite les calculs). La tension de pointe est atteinte avec un angle de 0° et cos(0) = 1. Les deux lignes se croisent à mi-parcours, donc avec un déplacement de 30° et cos(30) = 0.866.

Si maintenant on travaille en hexaphasé, nous avons un nombre double de pics par période, l'espacement jusqu'au creux est donc de 15°. L'ondulation est donc de cos(15) = 0.966. L'ondulation résiduelle est tellement faible qu'un filtrage n'est pas nécessaire pour la plupart des applications (ondulation de 5% de la tension en pointe).

Et finalement nous avons le réseau nonophasé avec 18 pics par période, donc 20° entre les pics et le creux à 10°. L'ondulation est maintenant de cos(10) = 0.985 ou 1.5% de la tension en pointe. L'ondulation qu'on obtient ici est moindre que l'ondulation qu'on obtient avec le redressement double alternance et le filtrage d'un courant monophasé.

Les voitures électriques peuvent généralement être rechargées avec de l'alternatif ou du continu. Le rechargement à partir de l'alternatif utilise un redresseur intégré à la voiture. Il s'agit d'un redresseur de puissance limitée, il faut que le poids embarqué soit le plus faible possible. La puissance est généralement limitée à 2kW (réseau monophasé) ou 6kW (réseau triphasé). Il va sans dire qu'une telle charge permet à peine d'ajouter une dixaine de kilomètres par heure de charge (monophaseé).

La charge à partir du courant continu est bien plus rapide, elle peut atteindre 100kW (si la batterie peut accepter une charge extrèmement rapide). La transformation de l'alternatif en continu se fait dans l'installation fixe et on peut utiliser des composants plus puissants. Notez que souvent la puissance disponible est divisée entre les différentes bornes de la station. S'il y a trois voitures en charge, la charge ne sera que de 33kW.

Redressement monophasé

Quand on redresse du courant monophasé, l'ondulation passe toujours par 0V, l'ondulation est donc de 100% de la tension de pointe. Pour la plupart des applications, il faut filtrer la tension rectifiée. Le filtrage par des condensateurs électrolytiques produit un très mauvais facteur de crête: en effet, le courant ne circule qu'au moment où la tension d'alimentation est plus élevée que la tension sur les condensateurs. Plus on augmente la valeur des condensateurs, plus on réduit l'ondulation (à charge constante), mais plus le facteur de crête devient mauvais. Ce type de redressement n'est plus autorisé passé une certaine puissance.

Les appareils électroniques comme les amplificateurs sont alimentés en monophasé. On limite l'ondulation résiduelle à moins de 5% [au repos] et moins de 10% [puissance maximale]. C'est purement pour des raisons économiques (composants moins chers). On réduit le ronflement 100Hz de manière électronique par une compensation anticipée où on injecte la déformation estimée à l'entrée de l'ampli.

Au lieu d'utiliser des diodes, on peut également utiliser des thyristors dont on peut faire varier l'instant de l'enclenchement, et donc la tension continue de sortie. Ce type de montage produit des parasites à la commutation et n'est que très peu utillisé. Il nécessite un coffret de filtrage très important et il n'est pas possible d'éliminer toutes les harmoniques. Les normes en ce qui concerne la production d'harmoniques sont devenue plus rigoureuses et le filtrage doit maintenant être extrèmement soigné, ce qui rend la solution trop onéreuse pour l'entreprise.

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