MONOTRI1MONOPHASÉ ou TRIPHASÉ ?

1 MONOPHASÉ
2 TRIPHASÉ
3 La réalité
4 La parade
5 Applications
6 Conclusions


Préambule

Cet article ne se veut pas une formation, mais un guide de choix pour le "TRI" ou le "MONO". Il propose quelques solutions (pas beaucoup) mais reste très prudent sur les coûts finaux.
Cet article rappelle aussi les maximums de puissance disponible (calibre des disjoncteurs mono et tri).
Enfin quelques possibilités d'applications en eau potable, en climatisation et PAC et moteurs en général.

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1 MONOPHASÉ

Le système de distribution Monophasé de courant alternatif est le plus simple. Il y a habituellement une phase et un neutre pour 230 Volts efficaces à 50 Hertz. Mais au fait pourquoi une phase ? Simplement parce qu'il est issu d'un système de distribution triphasé, le plus souvent, et qu'il y a dans ce dernier, des phases et un neutre .

Il est tout à fait possible d'avoir un alternateur "monophasé", (ça existe pour les groupes électrogènes de petite puissance) Dans ce cas y a-t-il une phase et un neutre ?
La réponse est Oui et Non !
On peut considérer dans ce cas qu'il n'y a ni phase ni neutre. Les potentiels de chacune des deux bornes sont habituellement laissés "flottants". Ceci signifie que par rapport à la terre, le système va trouver un potentiel qui lui est propre, et qui ne sera ni à 220 V par rapport à la terre, mais souvent assez équilibré, vers la moitié de la tension environ pour chaque pôle électrique (pas phase !). (Il y aura cependant la bonne tension de 220/230 V aux deux bornes)
Par abus de langage on parle de phase et neutre mais on pourrait tout aussi bien parler de "Référence" et "Tension de sortie" pour qualifier les bornes d'un tel Système.

Pour fonctionner parfaitement en similitude par rapport au réseau public, il serait nécessaire de fixer le potentiel d'un des pôles relativement à la terre. Derrière cela il faut naturellement aujourd'hui mettre un petit disjoncteur différentiel 30 mA. Ce n'est pas toujours le cas, pour plusieurs raisons. La mise à la terre des groupes électrogènes portables est rarement faite par les ouvriers, principaux utilisateurs de ces petits engins.

Ceci explique partiellement la réponse de normand : Oui et Non, car la deuxième raison, est qu'il n'y a pas de différence physique (notoire) entre un pôle et l'autre. Il y a seulement une différence de potentiel ENTRE ces deux pôles. Ils n'ont pas besoin d'être différentiés pour la partie distribution. Il y a 220/230 V entre bornes et c'est suffisant ! (Ce ne sera pas le cas pour la partie sécurité des personnes).

Pourquoi le monophasé ne concerne à priori que les petits appareils ? Simplement parce que les générateurs monophasés de grande puissance n'existent pratiquement pas.

La puissance apparente en Monophasé est donnée par la formule très connue : P=UI. où P est exprimée en VA ou KVA

Pour la partie EDF (en tarif bleu), votre puissance est déterminée par le calibre de votre disjoncteur (en Ampères). Ainsi on voit d'après la formule ci-dessus que vous pourrez tirer la puissance maximum pour le calibre du disjoncteur (I en Ampères).

En ce qui concerne les moteurs asynchrone (à cage d'écureuil), ceux-ci seront obligatoirement à démarrage avec condensateur de déphasage. Dans ce type de moteur, on dépasse rarement quelques kilowatts.

2 TRIPHASÉ

Qu'a donc le triphasé de plus, que tous les bricoleurs en veulent à tout prix pour la scie circulaire ou le combi pour le bois ?

Le triphasé permet la puissance d'une façon générale avec l'application la plus importante pour les moteurs asynchrones, avec un véritable champ magnétique tournant (natif), puisque chaque phase est séparée d'une autre de 120° angulaire.

Pour les générateurs (alternateurs) il y a occupation complète de l'espace du stator pour les bobinages, et donc un rapport masse / puissance très favorable par rapport au monophasé.

L'angle de déphasage est un angle simple qui facilite toutes les différentes opérations. Les références sont habituellement prises par rapport au neutre.
Mais au fait les lignes Moyenne tension en 20 KV et plus n'ont que 3 fils ? Oui, et lorsqu'un système est équilibré, aucun courant ne circule dans le neutre (montage en étoile). Donc dans les grandes puissances (en transport d'énergie par exemple, on gagne ainsi un fil, et c'est beaucoup d'argent économisé !) Le neutre n'est alors recréé qu'au niveau du transformateur Basse Tension (230/400V) pour la distribution aux particuliers.

Pour les montages "triangle", le neutre n'est jamais utilisé puisque l'on utilise la tension entre phase (tension composée)

Pour les grandes centrales EDF, toutes sont en triphasé, pour le rapport de puissance / masse. A savoir que l'ont sait réaliser des transformateurs triphasés de façon simple, fiable et avec un excellent rendement.
D'autres courants polyphasés sont possibles mais ne représentent pas de compromis intéressants, ni en coût, ni en exploitation. (biphasé, hexaphasé, etc…)

Pour les moteurs, plus besoin de condensateurs, et les moteurs asynchrones démarrent toujours dans un même sens, sans autre artifice. La puissance n'est pas limitée, et on peut aller jusqu'à plusieurs mégawatts, pour de très grosses pompes par exemple. (Le sens inverse est obtenu par inversion de 2 phases).

Pour EDF, le problème est d'équilibrer les courants pour que chaque phase ait à peu près la même charge. Cela se réalise par le branchement des usagers de façon "circulaire" sur les 3 phases. EDF connaît son métier et cela ne pose pas de réel problème.

Pour la partie facturation abonnés, EDF oblige à 6 KVA minimum  (je crois et cela reste à vérifier) pour installer du triphasé, et je crois qu'il y a un petit surcoût. Par contre l'abonnement est à la puissance comme en monophasé.

Là, pour la puissance il faut faire très attention, car un disjoncteur triphasé disjoncte pour le courant prévu sur une seule phase. Ainsi, si 2 phases sont à 10 Ampères et la 3 ème à 16 Ampères, et si le disjoncteur est calé à 15 A, ça saute !
En résumé vous payez une puissance souscrite que vous n'arrivez pas à obtenir.

En triphasé, c'est à vous d'équilibrer votre réseau électrique pour tirer le maximum sur CHAQUE phase, et pour un particulier, c'est pratiquement impossible à réaliser.

3 La réalité

A moins que vous ne soyez un industriel ou un bricoleur très averti, voire artisan, vous n'avez aucun intérêt à souscrire un abonnement triphasé, pour des puissances inférieures à environ 9 ou 12 KVA.

Je viens de faire un tour sur le site EDF, et outre la lenteur, il faut pratiquement une journée en ADSL pour trouver (si ça existe) la première valeur de puissance en triphasé. J'ai donc abandonné. De mémoire, il faut je crois 6 KVA.
La discrétion d'EDF sur ses tarifs n'est pas une légende, c'est une réalité que j'ai pratiquée dès 1993 pour les groupes électrogènes et l'EJP…

Oui, mais le moteur de scie circulaire du grand père…? Là il faut se poser les bonnes questions pour savoir si l'utilisation 1 ou 2 fois par année justifie des surcoûts d'abonnement. C'est loin d'être certain !

4 La parade

Si vraiment il nous faut le triphasé, il y a aujourd'hui un moyen, certes un peu sophistiqué, mais qui est efficace, qui est le procédé d'un convertisseur appelé aussi "inverter" ou générateur Mono-Tri ou variateur.

Le principe en est assez simple.
Dans un premier temps on redresse et on filtre le courant monophasé. Dans un deuxième temps on crée un oscillateur à 50 Hz avec la particularité d'avoir une tension de sortie normale en déphasage 0° puis une sortie déphasée de 120° et enfin une troisième déphasée de 240°. Et retour à 0°…
Sur les 3 sorties on applique un profil de tension sinusoïdal qui est ensuite amplifié par de gros transistors IGBT, de très grosses "bêtes" capables de fonctionner en régime linéaire avec des pertes faibles.
De nombreux modèles peuvent aussi fonctionner en commutation avec intégration de la tension de sortie.
Tous ces appareils sont en réalité pratiquement toujours des VARIATEURS DE FRÉQUENCE et ils permettent de faire varier la vitesse des moteurs asynchrones, d'inverser le sens de rotation sans croiser deux phases ! Démarrage progressif, suivant une courbe, au couple, etc….

La boucle est donc bouclée et l'on vient ainsi de fabriquer du triphasé à partir du monophasé. Au fait où est le neutre ? C'est le commun des trois tensions, appelons le de façon peu élégante "la masse". Il est rarement "sorti"  car ces variateurs sont pour un usage presque exclusif de moteurs. L'équilibre des phases est alors lié à la construction du moteur et est naturellement correct.

Dans ces systèmes, il y a des problèmes d'isolation à résoudre, et le but à atteindre est d'éviter l'utilisation en sortie d'un transformateur 50 Hz, dont le poids et le volume serait prohibitifs…
Plus la fréquence est basse, plus le volume (et/ou le poids sont importants)

Voilà donc un moyen, certes onéreux, d'avoir du triphasé, et il faut alors regarder si le coût de l'abonnement EDF en triphasé, et pour lequel il a fallu augmenter la puissance souscrite à cause du mauvais équilibrage des phases, pour obtenir une puissance utile acceptable? peut compenser le prix d'un convertisseur.
Faire le compte des années de retour sur investissement et peser le pour et le contre….

5 ApplicationsMONOTRI2

Les applications sont assez larges, et l'exemple de la scie circulaire du grand père n'est là que pour l'illustration. Certes ce cas existe, mais la solution parait cependant onéreuse pour une utilisation 2 fois par année.

Ce ne sera pas le cas en pompage d'eau potable par exemple ou cela permet de prendre un abonnement de moindre puissance, et surtout de pouvoir intervenir avec un petit groupe électrogène monophasé, en cas de manque de tension. (cas des petits surpresseurs)

Pour le particulier, certaines PAC ont des moteurs de puissance déjà importante et utilisent des moteurs triphasés…
Personnellement, je considère les convertisseurs ou variateurs de fréquence comme la MEILLEURE SOLUTION POUR LE PARTICULIER ayant des besoins occasionnels. Cela permet de s'affranchir du branchement triphasé qui ne présente que des inconvénients pour le particulier, car il ne tire jamais sa puissance définie au disjoncteur, car il est impossible d'équilibrer la consommation d'une seule maison. Il paye cependant à EDF pour quelque chose qu'il n'utilise pas réellement !

6 Conclusions

Il ne faut pas confondre ces appareils avec les démarreurs électroniques qui ne fonctionnent pas du tout suivant le même principe. En effet, les démarreurs procèdent par découpage de la tension secteur et délivrent une énergie variable en changeant l'instant d'amorçage de Thyristors ou Triacs. Ces appareils ne peuvent en aucun cas servir à générer du triphasé.

La solution de convertisseurs ou variateurs de fréquence est une solution statique intéressante, mais qui reste cependant assez chère. Elle peut permettre d'éviter de payer des compléments d'abonnements sur 15 ans à EDF ? C'est à examiner en fonction des puissances demandées et des durées d'amortissement désirées !

A titre d'information, relativement au tarifs EDF du 15/08/2006, passer de 9 KVA à 12 KVA engendre un surcoût de 45.36 €/an, soit en 15 ans un gain potentiel de 680 €...A comparer au prix de l'appareil !

Il faut aussi prendre en compte un paramètre important qui est la maintenance de ces appareils qui vont peu servir, mais qui vont cependant vieillir…!
Ce qui ne sert pas s'abîme toujours ! Peut-être que la durée d'amortissement est incompatible ? Toujours bien réfléchir car les matériels électroniques évoluent avec une telle rapidité qu'ils sont souvent obsolètes en quelques années, et même pour les appareils de marques réputées. (l'obsolescence n'est pas un obstacle, mais seul le manque de pièces de rechange l'est !)

Examiner aussi la variation de fréquence sous l'aspect du courant d'appel de démarrage d'un moteur. Un variateur va en général permettre aussi une régulation du courant d'appel de démarrage évitant de faire sauter le disjoncteur…

Il y a aussi les groupes convertisseurs rotatifs, avec moteur monophasé et alternateur triphasé, mais le coût devrait normalement "exploser" relativement à la solution statique.

Enfin en dernier critère de choix, si vous alliez vers la solution EDF, vous pourrez certainement gagner en puissance souscrite en faisant la compensation du cosinus phi de vos moteurs (voir l'article sur la compensation sur "bricolsec"). (Ne pas compenser les moteurs en cas de variateurs de fréquence et suivre les spécifications du constructeur de manière générale)

La décision est à vous, je n'ai fait que vous indiquer quelques éléments de décision sur le sujet…

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