Tensions simples et tensions composées

Prérequis

Compréhension des notions de courant alternatif monophasé et triphasé, des grandeurs électriques fondamentales (tension, courant, puissance) et des représentations vectorielles.

Explication théorique

TENSIONS DANS LES SYSTÈMES TRIPHASÉS: Les systèmes triphasés sont largement utilisés pour la production, le transport et la distribution de l'énergie électrique en raison de leurs nombreux avantages (rendement, autoproduction d'un champ magnétique tournant). Un système triphasé équilibré est constitué de trois tensions alternatives sinusoïdales, de même fréquence et de même amplitude, déphasées de 120 degrés électriques les unes par rapport aux autres. TENSIONS SIMPLES (PHASE-NEUTRE): La tension simple, souvent notée V (ou Upn), est la tension mesurée entre une phase et le conducteur neutre. Dans un système triphasé, il existe généralement trois tensions simples: V1 (ou Van), V2 (ou Vbn) et V3 (ou Vcn). Ces tensions sont sinusoïdales et déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. Si le système est équilibré, leurs amplitudes sont égales. Le neutre est généralement raccordé à la terre, servant de référence de potentiel. TENSIONS COMPOSÉES (PHASE-PHASE): La tension composée, souvent notée U (ou Upl), est la tension mesurée entre deux phases. Dans un système triphasé, il existe trois tensions composées: U12 (entre phase 1 et phase 2), U23 (entre phase 2 et phase 3) et U31 (entre phase 3 et phase 1). Ces tensions sont également sinusoïdales et déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. Si le système est équilibré, leurs amplitudes sont égales. La tension composée peut être obtenue par la différence vectorielle de deux tensions simples. RELATION ENTRE TENSIONS SIMPLES ET COMPOSÉES: Dans un système triphasé équilibré et sans neutre distribué (connexion en triangle) ou avec neutre distribué (connexion en étoile), il existe une relation fixe entre l'amplitude de la tension simple et celle de la tension composée. Pour une connexion en étoile (Y), la relation est la suivante: U = V × √3 Où U est l'amplitude de la tension composée et V est l'amplitude de la tension simple. Cette relation est déduite de la représentation vectorielle des tensions. En effet, la tension composée U12 est égale à V1 - V2. En utilisant la loi des cosinus ou en projetant les vecteurs, et sachant que l'angle entre V1 et V2 est de 120°, on obtient cette relation. Il est important de noter que cette relation n'est valable que pour un système triphasé équilibré. En cas de déséquilibre (amplitudes différentes ou déphasages non-120°), cette relation n'est plus applicable directement. APPLICATIONS: La distinction entre tensions simples et composées est fondamentale pour le dimensionnement des équipements électriques (moteurs, transformateurs, câbles), la sécurité des installations et la compréhension des modes de raccordement (étoile ou triangle). Par exemple, les appareils domestiques monophasés sont généralement raccordés entre une phase et le neutre (tension simple), tandis que les moteurs triphasés sont souvent raccordés entre phases (tension composée).

Formules

• U = V × √3

  Relation entre la tension composée (U) et la tension simple (V) dans un système triphasé équilibré (connexion étoile).

• P_monophasé = U_simple × I × cos φ

  Puissance active monophasée, où U_simple est la tension simple.

• P_triphasé = √3 × U_composée × I × cos φ

  Puissance active triphasée, où U_composée est la tension composée et I est le courant de ligne.

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE NUMÉRIQUE : Hypothèses : - Système triphasé équilibré, 50 Hz. - Tension simple (phase-neutre) mesurée : V = 230 V. - Charge triphasée équilibrée, connectée en étoile. Données : - V = 230 V Calcul étape par étape : La relation entre la tension composée U et la tension simple V dans un système triphasé équilibré est U = V × √3. U = 230 V × √3 U = 230 V × 1.7320508... U = 398.37168... V Résultat : La tension composée entre phases est d'environ 398.4 V. APPLICATION INDUSTRIELLE CONCRÈTE : Dans une installation industrielle, un transformateur de distribution délivre généralement une tension composée de 400 V entre phases et une tension simple de 230 V entre phase et neutre. Cette configuration (400V/230V) est très courante en Europe. Les moteurs triphasés sont souvent conçus pour fonctionner avec la tension composée (400 V). Leurs enroulements sont raccordés pour supporter cette tension. Parallèlement, l'éclairage, les prises de courant monophasées ou les petites machines-outils nécessitent une alimentation en 230 V, obtenue en se raccordant entre une phase et le neutre. Les électriciens doivent impérativement identifier ces tensions pour câbler correctement les équipements, éviter les surtensions sur des appareils monophasés et assurer le bon fonctionnement des machines triphasées. Une erreur de raccordement pourrait entraîner des dommages matériels (destruction d'équipement par surtension) ou des risques pour la sécurité des personnes.

Méthode de mesure

1. S'assurer de la coupure de l'alimentation électrique si un raccordement est nécessaire, ou prendre les précautions nécessaires pour les mesures sous tension. 2. Sélectionner la fonction 'voltmètre alternatif' (VAC~) sur le multimètre ou l'appareil de mesure. 3. Pour la tension simple : Positionner une pointe de touche sur la borne de la phase (L1, L2 ou L3) et l'autre pointe de touche sur la borne du neutre (N). 4. Pour la tension composée : Positionner une pointe de touche sur la borne d'une phase (ex: L1) et l'autre pointe de touche sur la borne d'une autre phase (ex: L2). 5. Lire la valeur affichée sur l'instrument.

Instruments nécessaires

Voltmètre AC (alternatif) ou Multimètre avec fonction AC, testeur de tension

Procédure de contrôle

1. Vérifier la présence des 3 tensions simples (L1-N, L2-N, L3-N) et s'assurer de leur équilibre. 2. Vérifier la présence des 3 tensions composées (L1-L2, L2-L3, L3-L1) et s'assurer de leur équilibre. 3. Comparer les tensions mesurées avec les valeurs nominales attendues pour l'installation. 4. S'assurer que U ≈ V × √3 pour un système équilibré.

Symptômes de panne

- Tension simple absente sur une phase. - Tension composée anormalement faible ou élevée. - Déséquilibre important entre les tensions simples ou composées. - Dysfonctionnement d'équipements monophasés (si problème de neutre) ou triphasés (si problème de phase). - Surchauffe de certains équipements.

Causes probables

- Coupure ou déconnexion d'une phase. - Rupture du conducteur neutre (provoque un déséquilibre important des tensions simples). - Problème au niveau du transformateur d'alimentation ou du disjoncteur général. - Défaut d'isolement ou court-circuit. - Déséquilibre de charge important sur le réseau triphasé.

Erreurs fréquentes

- Confondre tension simple et tension composée lors du câblage ou du dimensionnement. - Ne pas vérifier la présence et l'intégrité du neutre, surtout pour les charges monophasées. - Oublier la relation U = V × √3 lors des calculs ou des vérifications. - Utiliser des équipements non adaptés à la tension disponible (ex: brancher un appareil 230V entre deux phases 400V). - Mesurer des tensions composées sur un système monophasé (ce qui n'a pas de sens).

Précautions de sécurité

- Habilitation électrique requise pour toute intervention sur des installations électriques sous tension. - Consignation de l'installation avant toute intervention physique (travaux). - Utilisation d'Équipements de Protection Individuelle (EPI) : gants isolants, lunettes de sécurité, vêtements de travail adaptés. - Utilisation d'appareils de mesure vérifiés et adaptés à la catégorie de surtension de l'installation. - Respecter la règle des 'deux mains' pour éviter de boucler le circuit à travers le corps lors des mesures sous tension. - Vérifier l'absence de tension avant de toucher les conducteurs.

Références

• Norme d'installation électrique applicable (ex: NF C 15-100 en France, IEC 60364 internationalement) — référence à vérifier
• Principes de base de l'électrotechnique — référence à vérifier
• Cours sur les systèmes triphasés — référence à vérifier

Questions fréquentes

• La relation U = V × √3 est-elle toujours vraie ?

  Cette relation est rigoureusement vraie uniquement pour un système triphasé équilibré (tensions de même amplitude et déphasées de 120° électriques) et de même fréquence. En cas de déséquilibre ou d'harmoniques, la relation peut ne pas être vérifiée exactement.

• Quelle est la tension simple dans un réseau 400V triphasé ?

  Dans un réseau triphasé où la tension composée (entre phases) est de 400 V, la tension simple (entre phase et neutre) est d'environ 400 V / √3 = 400 V / 1.732 ≈ 230.9 V. On l'arrondit généralement à 230 V.

• Pourquoi existe-t-il deux types de tensions en triphasé ?

  Ces deux types de tensions découlent de la structure même du système triphasé. La tension simple permet d'alimenter des charges monophasées (nécessitant un neutre), tandis que la tension composée est utilisée pour les charges triphasées (souvent les moteurs) et est généralement plus élevée, permettant une meilleure transmission de puissance.