Etude de l’équilibrage des courants de phase dans le réseau distribution

Vu que la fluctuation de consommation entre chaque phase du réseau de distribution est importante, un phénomène de déséquilibre du réseau apparait. Dans cette partie, nous allons étudier ce phénomène au secondaire du transformateur HTA/BT en considérant un profil de charge varié pendant une période bien définie. En réalité, la consommation domestique est un

paramètre variant considérablement car elle dépend de la demande de chaque consommateur. En fonctionnement normal équilibré symétrique, l’étude des réseaux triphasés peut se ramener à l’étude d’un réseau monophasé équivalent de tensions égales aux tensions simples du réseau, de courants égaux à ceux du réseau et d’impédances égales à celles du réseau. Le fonctionnement dissymétrique d’un réseau peut apparaître lors du déséquilibre du système de tensions ou d’impédances des éléments électriques (la charge différente entre les trois phases). Un système triphasé est une catégorie particulière de réseau polyphasé à trois grandeurs (tension ou courant) sinusoïdales de même fréquence. Le système est symétrique si les grandeurs sinusoïdales sont de même valeur efficace et déphasées de 2π/3. Il est direct si les phases sont ordonnées dans le sens trigonométrique inverse, et inverse dans l’autre cas. Dans des conditions normales, ces tensions sont déterminées par :

- Les tensions aux bornes des alternateurs de production ; - Les impédances du système de distribution ;

- Les courants absorbés par les charges à travers tout le réseau de transmission et de distribution.

Sur un site de production, les tensions du système sont normalement très symétriques du fait de la conception et de l’exploitation de machines synchrones, utilisées dans les grandes centrales électriques. Ainsi, la production centrale ne contribue généralement pas au déséquilibre. Même avec les machines à induction (asynchrones), utilisées par exemple dans certains types de turbines éoliennes, il est possible d’obtenir un système de tensions triphasées équilibrées.

Les petites productions sont installées dans les locaux du client. Cette pratique est devenue populaire et prend une part de plus en plus importante dans la production d’électricité. Un grand nombre de ces unités de taille relativement petite, comme les installations photovoltaïques, est connecté au réseau basse-tension au moyen de systèmes de transfert de source monophasés. Le point de raccordement possède une impédance relativement élevée (puissance de court-circuit relativement faible), ce qui peut entraîner un déséquilibre de la tension encore plus grand que dans le cas de raccordements à un niveau de tension supérieur. Dans la plupart des cas pratiques, l’asymétrie des charges est la principale cause de déséquilibre.

Pour les niveaux HTA et HTB, les charges sont habituellement triphasées et équilibrées, bien que d’importantes charges mono ou biphasées puissent être connectées comme les fours à induction (gros systèmes pour la fusion des métaux utilisant des arcs puissants et très irréguliers pour produire de la chaleur). Malgré tout, la puissance de court-circuit importante du réseau permet de limiter l’impact du déséquilibre de ces charges.

Les charges basse-tension sont généralement monophasées, comme dans le cas de l’alimentation des ordinateurs personnels ou des systèmes d’éclairage, et l’équilibre entre phases est donc difficile à garantir. Dans l’architecture de la distribution électrique, les

circuits de charge sont distribués à partir du système triphasé, par exemple une phase par étage dans un immeuble d’habitation ou de bureaux ou des connexions alternées par rangées de maisons. Néanmoins, l’équilibre de la charge équivalente au niveau du transformateur central fluctue à cause de la dispersion statistique des cycles de service des différentes charges individuelles.

Des conditions anormales d’exploitation causent également un déséquilibre de phase. Les défauts entre phase et terre, des courts circuits entre phase et des circuits ouverts sur l’une des phases sont des exemples typiques. Ils provoquent des creux de tension sur une ou plusieurs des phases impliquées et peuvent même causer indirectement des surtensions sur les autres phases (selon le régime de neutre). Le comportement du système est alors déséquilibré par définition, mais de tels phénomènes sont généralement classés dans les perturbations de tension, qui sont abordées dans les modules correspondants, puisque le système de protection du réseau électrique doit éliminer le défaut. Lorsqu’un déséquilibre apparait dans le réseau, il va impacter les appareils électriques connectés. La sensibilité des équipements électriques au déséquilibre varie de l’un à l’autre. Les problèmes les plus fréquents sont énoncés ci-dessous

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- Capacité des transformateurs, des câbles et des lignes

La capacité des transformateurs, des câbles et des lignes est réduite à cause des composantes indirectes. La limite d’exploitation est en fait déterminée par l’intensité efficace RMS du courant qui inclut la valeur de la composante indirecte "inutile" ; ceci doit être pris en considération lors de la définition des valeurs de déclenchement des dispositifs de protection qui réagissent en fonction du courant total. La capacité maximale peut être exprimée par un facteur de déclassement qui sera fourni par le constructeur et sera nécessaire pour redimensionner la source et la distribution afin de supporter la charge.

- Transformateurs

Les tensions indirectes présentes au primaire des transformateurs apparaissent, de la même façon que des tensions directes au secondaire. Leur comportement vis-à-vis des tensions homopolaires dépend des couplages primaires et secondaires, des modes de mise à la terre (ou la présence d’un conducteur de neutre en BT), et de la structure magnétique du transformateur (flux forcé ou flux libre). Si, par exemple, d’un côté se trouve une connexion triphasée à quatre conducteurs, des courants de neutre peuvent circuler. Si, l’autre côté, l’enroulement est couplé en triangle, le courant homopolaire est transformé en un courant qui boucle à l’intérieur du triangle (et donc générant de la chaleur). Le flux magnétique homopolaire associé passe au travers des éléments constitutifs du transformateur, entraînant des pertes parasites dans certains éléments comme l’enveloppe, ce qui peut conduire à un déclassement supplémentaire.

Dans cette partie, premièrement nous avons étudié un modèle de l’onduleur monophasé. L’objectif est de comprendre l’échange des flux d’énergie entre les trois charges différentes et

l’onduleur. Grâce aux interrupteurs commandés de l’onduleur, on peut modifier les impédances globales vues du secondaire du transformateur. De cette manière, on pourra compenser les variations d’impédance des charges sur chaque phase. Aussi, nous étudions un modèle de l’onduleur à quatre bras car le transformateur basse-tension au secondaire possède quatre conducteurs (3 phases et le neutre). Lorsque le déséquilibre triphasé apparait, il y aura un courant de neutre. Le quatrième bras de l’onduleur est utilisé afin de compenser ce courant. La dernière partie est dédiée au problème de dimensionnement de l’onduleur.