Transfo individuel pour groupe d'habitations

En ce qui concerne la distribution d'électricité aux Etats-Unis, il a fallu tenir compte de la situation particulière du pays:

• De nombreux appareils fonctionnent en 120V (115V était la tension standard aux Etats Unis), mais on doit simultanément pouvoir fournir du 240V aux gros consommateurs.
• Il y a de nombreuses petites communautés (quelques maisons) fortement isolées.

Comment en est-on arrivé à cette tension? C'est la faute à Edison! Les premiers réseaux électriques étaient réalisés aux Etats Unis par des entreprises liées à Edison (qui était un entrepreneur plus qu'un inventeur). Mais les brevets dont il disposait concernaient uniquement le courant continu. Et le courant continu, qui ne pouvait pas être transformé été distribué en 110V continu.

La tension de 120V sous 60Hz produit en théorie plus de pertes mais cela est largement compensé en plaçant le dernier transfo plus près des utilisateurs (c'est le transfo qui abaisse la moyenne tension à la tension des utilisateurs). Chaque bloc d'habitations (tout au plus une dixaine de maisons) a ainsi son transfo placé sur le poteau électrique. Les grands immeubles ont tous une cabine de transformation individuelle. Chez nous, c'est tout un quartier qui est alimentés par un poste de transformation.

L'avantage du système américain est que les pertes sur le réseau basse tension 120/240V est réduit en limitant au maximum son étendue. Un transformateur standard est conçu pour 50A, donc 12kVA. Le réseau moyenne tension (qui est actuellement de plus en plus standardisé à 7.2kV) est également limité géographiquement pour réduires les pertes.

Le système américain nécessite un transfo suffisamment puissant pour alimenter toute la petite communauté, tandis que le système européen permet de faire la moyenne de tous les utilisateurs: la réserve de capacité nécessaire est moindre. Le grand nombre de transfos relativements petits ont un moins bon rendement qu'un seul grand transformateur.

Quand en Europe on est passé au 220V généralisé (dans les années 1950), cela n'a pas posé trop de problèmes, les ménages n'avaient que très peu d'appareils électriques. Par contre aux Etats Unis, la plupart des ménages étaient équipés de nombreux appareils (machine à laver, télévision, etc). Les Etats Unis ont alors abandonné l'idée de passer complètement au 220/240V.

Le split phase est comparable au courant biphasé (ne pas confondre avec le courant diphasé qui est en quadrature, donc déphasé de 90° au lieu de 180°).

Le 120V est utilisé pour les appareils mobiles et l'éclairage (en fait tous les appareils avec une fiche de courant) et le 240V pour les appareils fixes (chauffage, machine à laver, ascenseur,...)

L'utilisation du 120V est historique et est dû au grand nombre d'appareils fonctionnant en 120V. Il n'est donc pas possible de passer simplement au 240V pour transporter plus de puissance. Les appareils fonctionnant en 120V sont heureusement tous des appareils mobiles qui consomment relativement peu. Les prises électriques fournissent du 120V (connection entre phase et neutre).

On ne prévoit pas de passer un jour ou l'autre au 230V comme chez nous, puisque le système américain fonctionne correctement.

Les branchements résidentiels n'ont donc gé,éralement pas de connection triphasée. Un compteur résidentiel a normalement une capacité de 100A (bon pour 23kVA), pour les grandes maisons c'est encore plus élevé. Les cables sont deux fois plus gros que chez nous. Pour une même puissance en Europe il faut une capacité de 33A et on utiluse des disjoncteurs de 40A pour compenser la charge non-équilibrée du réseau triphasé.

Le neutre, au lieu d'être connecté au centre de l'étoile est connecté entre deux phases via le transfo réducteur de tension. Une des phases a donc une tension plus élevée par rapport au neutre (high leg).

Le neutre est ici aussi mis à la masse dans la cabine de transformation.

Le branchement triphasé en triangle ou "delta" est possible (on a 240V entre toutes les phases), mais pas en étoile (Wye), puisque le neutre se situe entre deux phases et non pas entre les trois phases. Le neutre ne peut jamais être connecté à un consommateur triphasé! Par contre il est utilisé pour l'alimentation monophasée 120V.

Le triphasé "high leg delta" n'est d'application qu'à partir du dernier transfo (celui qui produit la tension pour les utilisateurs). C'est la mise au neutre spéciale qui fait d'un triphasé normal un triphasé high leg delta.

Le triphasé high leg delta produit une charge non balancée importante dès que des utilisateurs monophasés sont en fonction. Le système européen n'a pas cet inconvénient, puisque les utilisateurs monophasés sont chacun connectés sur une phase différente, ce qui nivelle les différences. Aux Etats Unis, on réduit l'imbalance en utilisant pour chaque client un transfo avec phase high leg différente.

Le schéma à droite montre les tensions qui sont d'application:

• il y a 240V entre chaque phase
  (pour les utilisateurs triphasés)

• il y a 120V entre le neutre et la phase a ou c
  (pour les petits utilisateurs) et
  240V entre la phase a et c (pour les gros utilisateurs monophasé).

• il y a 208V entre le neutre et la phase b (high leg)
  On peut utiliser cette tension avec un autotransfo qui rabaisse la tension à du 120V.

Les cables ont une couleur standardisée:

• Ground: vert
• Neutre: blanc
• L1 L3: noir
• High leg: orange

Les transformateurs triphasés sont très rares aux Etats Unis, on utilise de préférence 3 transformateurs monophasés. La raison est que la charge sur le réseau échairage (120 et 240V) "LIGHTING XFRMR" est plus importante que la charge sur le réseau triphasé (240V), transformateurs "POWER XFRMR".

Si on utilise des transformateurs triphasés, on ne peut pas utiliser des transformateurs à flux liés (trois branches) mais des transformateurs à flux libres (5 branches) à cause de la charge non équilibrée.

En plus du réseau 120/240V, il existe également un réseau 240/480V moins utilisé. Pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué, n'est ce pas.

Le branchement qui est montré ici est un branchement avec primaire en étoile (WYE) et le secondaire toujours en triangle (DELTA). Un branchement primaire en triangle est plus souvent utilisé.

Dans le cas d'un branchement en étoile, il est nécessaire de transmettre également le neutre et l'interrupteur neutral grounding switch doit être fermé, car à cause de la charge non-équilibrée le neutre flottant ne ne strouve pas au potentiel flottant.

Pour charger le réseau d'une manière plus équilibrée, le branchement du lighting transformer est alterné sur toutes les phases et le cycle se répète toutes les trois maisons.

Mais l'histoire ne se termine pas ici. Quand la charge sur le réseau triphasé est faible, on peut éliminer un des deux transformateurs power, on obtient ainsi un branchement delta ouvert.

Cette configuration n'est pas une inconnue chez nous, elle est par exemple utilisée quand on prévoit une forte augmentation de la consommation dans une région. On installe alors deux transformateurs en configuration open leg delta et quand la consommation est en augmentation, on rajoute le troisième transfo pour fermer le triangle. Il s'agit ici de transformateurs pour la moyenne tension, la dernière transformation (cabine de quartier) doit toujours avoir une sortie étoile pour avoir un neutre.

Sur le schéma qui est montré à droite, on produit du triphasé avec deux phases et le neutre (montage primaire en étoile), mais on peut tout aussi bien utiliser un primaire branché en triangle ouvert.

Les régions ont un pouvoir de décision important aux Etats Unis et certaines configurations historiques sont toujours utilisées.

Que pensez-vous par exemple de la configuration "Wild cat"? Le nom provient du montage dog leg utilisé pour brancher une forte charge monophasée sur un groupe électrogène.

Cette configuration donne deux tensions biphasées (L1 + L2 et L3 + L2) avec neutre 120/240V. Cette configuration peu connue est pourtant utilisée car elle donne deux tensions biphasées (split phase) par transfo au lieu d'une seule avec le montage high leg delta plus classique.

La raison pour laquelle cette tension différente est utilisée est que le réseau 208V, s'il est disponible, est cablé indépendamment du réseau domestique à partir du compteur principal, avec un fusible par prise et des prises spéciales. Cela rend le réseau 208V plus fiable que le réseau 120/240V domestique car le courant risque moins d'être interrompu en cas de cours-circuit dans le réseau ménager (le fusible ne coupe que la prise, pas tout le réseau). En cas de cours circuit dans le réseau 208V, seul la prise concernée est coupée.

Mais pour compliquer encore un peu plus les choses, sachez qu'il existe également un réseau triphasé classiquement cablé en 120/208V (cablage identique à notre réseau 230/400V) qui fournit du 240V entre les phases et du 120+120V sur le réseau éclairage.

La plaquette signalétique de ce groupe électrogène en provenance de l'armée américaine (fréquence de réseau 60Hz) indique clairement les tensions disponibles: 120/240V et 120/208V selon le branchement: monophasé split phase, triphasé high leg delta et biphasé 90°

Dans le cas de triphasé résidentiel, on travaille en 208Y120V. Il s'agit d'un réseau triphasé comme chez nous, mais avec une tension simple de 120V et une tension composée de 208V. Les petits utilisateurs sont branchés entre neutre et phase (120V comme dans le système classique) tandis que les plus gros utilisateurs travaillent en triphasé ou utilisent la tension entre phases de 208V: de nombreux appareils sont spécifiquement conçus pour travailler avec cette tension de 208V, qui est également la tension "high leg" du réseau asymmétrique high leg delta décrit plus haut.

Les utilisateurs industriels utilisent du 480Y277V. Cette tension n'est pas compatible avec les appareils résidentiels et la tension est réduite sur place avec un autotransformateur triphasé pour les bureaux, l'éclairage, etc.

Le tableau à droite montre que le réseau américain est complexe. En Europe, nous avons uniquement des réseaux de distribution triphasés en 50Hz.

1. Nous avons un réseau 230V (tension composée), la tension simple (avec neutre) n'est pas utilisée. Ce sont d'anciens réseaux qui seront remplacés à terme par un réseau 230/400V. Le changement nécessite un remplacement du tableau de distribution chez les particuliers.

2. La tension de 230/400V est la tension la plus utilisée. On dispose d'une tension simple de 230V et de 400V en triphasé.

3. La tension de 400/690V est utilisée pour alimenter des charges plus importantes (appareils industriels). Ces entreprises disposent généralement de leur propre cabine de transformation alimentée par le réseau moyenne tension.

Etats Unis:
Les Etats Unis utilisent plusieurs systèmes historiques et des systèmes plus récents dans les nouveaux zonings industriels

4. La tension monophasée split phase 120/240V est la seule tension standardisée pour les réseaux résidentiels.

5. La tension 120/208 est la tension avec high leg delta basée sur le split phase.

6. La tension 277/480 est une tension triphasée classique, elle est utilisée dans les nouveaux réseaux (zonings industriels)

Notez, à toutes fins utiles (on ne sait jamais...) qu'il existe également un réseau de distribution à un fil (et retour par la terre), le réseau SWER (single wire earth return). Ce type de réseau est utilisé dans les régions très peu peuplées des Etats Unis, mais a son origine en Nouvelle Zélande et en Australie.