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Qu'est-ce qui cause le courant de neutre dans les systèmes triphasés ?
Le courant de neutre dans les systèmes triphasés est un problème courant de qualité de l'énergie dans les usines, les bâtiments commerciaux et les centres de données. Dans un système électrique équilibré avec des charges linéaires, les courants des trois phases s'annulent au point neutre. Cependant, des charges inégales et la distorsion harmonique peuvent provoquer la circulation d'un courant important dans le conducteur neutre.
Un courant de neutre excessif peut entraîner une surchauffe des câbles, des pertes d'énergie et des pannes d'équipements électriques. Dans certaines installations, le courant de neutre peut même dépasser le courant circulant dans les conducteurs de phase individuels.
Comprendre les causes du courant de neutre, la manière de le mesurer et de le réduire aide les ingénieurs à améliorer la sécurité électrique et la fiabilité du système.
Dans un système électrique triphasé à quatre fils (3P4W), le conducteur de neutre fournit un chemin de retour pour le courant lorsque les charges de phase sont déséquilibrées.
Lorsque trois charges linéaires identiques fonctionnent sur une alimentation triphasée équilibrée, leurs courants sont séparés de 120 degrés électriques. Les trois courants s'annulent, ce qui donne un courant de neutre presque nul.
Cependant, la plupart des systèmes électriques modernes ne fonctionnent pas dans des conditions parfaitement équilibrées.
Les équipements monophasés, la charge inégale et les dispositifs électriques non linéaires peuvent tous produire un courant de neutre. La quantité dépend à la fois du déséquilibre de phase et de la distorsion harmonique.
Il y a deux causes principales de courant de neutre élevé dans les systèmes triphasés : le déséquilibre de charge et les harmoniques de rang tiers.
Le déséquilibre de charge se produit lorsque l'équipement électrique tire des quantités de courant différentes de chaque phase.
Par exemple, un bâtiment commercial peut avoir :
La phase A alimentant l'éclairage et le matériel de bureau.
La phase B alimentant les ordinateurs et la climatisation.
La phase C alimentant moins de charges électriques.
Parce que les courants sont inégaux, ils ne peuvent pas s'annuler complètement. Le courant restant retourne par le conducteur neutre.
Dans les systèmes avec principalement des charges linéaires, l'équilibrage des charges de phase est souvent le moyen le plus simple de réduire le courant de neutre.
La distorsion harmonique crée un autre problème important.
De nombreuses charges non linéaires génèrent des harmoniques de troisième ordre et d'autres harmoniques de rang tiers, y compris les 9e et 15e ordres.
Contrairement aux courants fondamentaux, les courants harmoniques de rang tiers équilibrés sont en phase sur toutes les trois phases. Au lieu de s'annuler, ils s'additionnent dans le conducteur neutre.
Cela explique pourquoi le courant de neutre peut rester élevé même lorsque les charges de phase fondamentales semblent équilibrées.
Les harmoniques de rang tiers sont particulièrement importantes dans les systèmes triphasés à quatre fils.
Par exemple, considérons trois phases qui transportent chacune 20 A de courant de troisième harmonique.
Puisque ces courants sont en phase, leur contribution au neutre est :
Le conducteur de neutre transporte donc 60 A de courant de troisième harmonique, même si chaque phase ne transporte que 20 A de cet harmonique.
L'exemple suppose des courants de troisième harmonique égaux avec des angles de phase correspondants. Le courant de neutre réel dépend également d'autres ordres harmoniques et du déséquilibre de charge.
C'est pourquoi le courant de neutre ne peut pas toujours être estimé en comparant uniquement les amplitudes des courants de phase.
Les bâtiments modernes contiennent de nombreuses charges non linéaires qui peuvent produire des harmoniques de rang tiers.
Les sources courantes comprennent :
Les ordinateurs et le matériel de bureau
Les blocs d'alimentation à découpage monophasés
Les drivers d'éclairage LED
Les systèmes UPS avec entrées monophasées
Les équipements de commande électronique
Chargeurs de batterie
Autres charges redresseuses monophasées
De grandes concentrations de ces appareils peuvent augmenter la charge du conducteur neutre.
Les variateurs de vitesse triphasés dotés de redresseurs conventionnels à six impulsions produisent principalement des harmoniques caractéristiques non triplens de leur côté alimentation. Ils ne constituent généralement pas la principale source de courant neutre de troisième harmonique.
Un courant de neutre excessif augmente les pertes électriques et exerce une contrainte supplémentaire sur l'équipement de distribution.
|
Problème |
Cause |
Résultat possible |
|---|---|---|
|
Surchauffe du câble de neutre |
Courant de neutre efficace (RMS) élevé |
Détérioration de l'isolation |
|
Échauffement du transformateur |
Charge harmonique et déséquilibrée |
Pertes et température plus élevées |
|
Déséquilibre de tension |
Charge de phase inégale |
Faible performance des équipements |
|
Pertes électriques |
Courant de conducteur accru |
Chaleur et perte d'énergie supplémentaires |
|
Problèmes de protection |
Courant excessif ou inattendu |
Déclenchements intempestifs ou contrainte sur l'équipement |
Un conducteur neutre qui transporte plus de courant que sa conception ne le permet peut devenir un problème de sécurité grave.
Pour cette raison, les ingénieurs doivent vérifier les caractéristiques nominales des conducteurs, les conditions d'installation et la charge harmonique lors de l'investigation des problèmes de courant de neutre.
La première étape consiste à mesurer le conducteur neutre à l'aide d'une pince multimètre efficace vraie (true-RMS) ou d'un analyseur de qualité de l'énergie approprié.
Les mesures doivent inclure les trois courants de phase et le courant de neutre.
Un analyseur de qualité de l'énergie peut également identifier si le courant de neutre provient principalement d'un déséquilibre de phase ou d'une distorsion harmonique.
Les mesures importantes comprennent :
Courant de phase efficace (RMS)
Courant de neutre efficace (RMS)
Spectre harmonique du courant
Courant de troisième harmonique
Déséquilibre de phase
Changements de charge pendant le fonctionnement
Les mesures doivent couvrir les conditions de fonctionnement normales et de pointe.
Une lecture élevée du courant de neutre ne suffit pas à elle seule à identifier la cause. Les ingénieurs ont besoin de mesures harmoniques pour déterminer si les harmoniques triplens contribuent au problème.
La solution adéquate dépend du fait que le problème provienne de charges déséquilibrées, de distorsion harmonique ou des deux.
Si le courant de neutre provient principalement d'un déséquilibre de charge, redistribuez les charges monophasées sur les trois phases.
Cela peut réduire le courant de neutre fondamental sans installer d'équipement de filtrage supplémentaire.
Cependant, l'équilibrage des charges fondamentales n'élimine pas le courant harmonique tripolaire.
Lorsque les harmoniques tripolaires sont responsables, les ingénieurs doivent identifier l'équipement non linéaire qui les produit.
Des alimentations à faible taux d'harmoniques, un équipement de filtrage adapté et des modifications de la conception de la distribution électrique peuvent atténuer le problème.
La solution adéquate dépend du spectre harmonique et de la configuration du système.
Un filtre actif d'harmoniques (AHF) à quatre fils peut compenser certains courants harmoniques et, selon sa conception, le déséquilibre de phase et le courant de neutre.
Le filtre mesure le courant électrique et injecte un courant de compensation dans le système.
Pour les installations dotées de charges électroniques changeantes, un AHF 3P4W peut fournir une compensation harmonique flexible.
Cependant, tous les AHF ne prennent pas en charge la compensation du courant de neutre. Les ingénieurs doivent confirmer les spécifications du fabricant et la capacité de compensation du neutre disponible.
La sélection d'un AHF exige plus que la simple mesure du courant de neutre.
Les ingénieurs doivent d'abord déterminer quelle part du courant provient des harmoniques tripolaires et quelle part provient du déséquilibre de charge fondamental.
Ils doivent ensuite vérifier le courant de compensation nominal du filtre, la capacité en courant de neutre et les exigences d'installation.
Par exemple, un bâtiment peut présenter un courant de neutre mesuré de 120 A, mais cela ne signifie pas automatiquement qu'il a besoin d'un AHF de 120 A.
La capacité requise dépend du spectre harmonique, des courants de phase, de la compensation cible et de la conception du filtre.
Une mesure complète de la qualité de l'énergie fournit la meilleure base pour sélectionner l'équipement adéquat.
Oui. Le courant de neutre est normal lorsque les charges monophasées sont déséquilibrées. Cependant, un courant excessif peut indiquer un déséquilibre de charge ou une distorsion harmonique.
Oui. Les harmoniques tripolaires peuvent s'additionner dans le conducteur de neutre, provoquant le dépassement des courants de phase individuels par le courant de neutre.
Le troisième harmonique est souvent le contributeur harmonique le plus important. Les neuvième et quinzième harmoniques peuvent également augmenter le courant de neutre.
Oui. Un AHF à quatre fils adapté, doté d'une capacité de compensation du neutre, peut réduire le courant de neutre harmonique et, lorsque cela est pris en charge, le courant causé par le déséquilibre de phase.
L'équilibrage des charges linéaires peut réduire le courant de neutre fondamental. Cependant, les harmoniques tripolaires peuvent toujours produire un courant de neutre important même lorsque les charges de phase sont équilibrées.
Un courant de neutre élevé dans les systèmes triphasés est principalement causé par une charge de phase inégale et une distorsion harmonique tripolaire. Alors qu'un déséquilibre de charge crée un courant de neutre fondamental, les harmoniques du troisième ordre peuvent s'additionner et produire un courant de neutre élevé même dans des conditions de charge équilibrée.
La réduction du courant de neutre commence par des mesures électriques précises. L'équilibrage des charges peut remédier au déséquilibre fondamental, tandis qu'un équipement d'atténuation des harmoniques adapté peut réduire le courant de neutre lié aux harmoniques.
Pour les installations dotées d'un grand nombre de charges non linéaires, un filtre actif d'harmoniques à quatre fils correctement sélectionné peut améliorer la qualité de l'énergie, réduire la charge du conducteur de neutre et prendre en charge un fonctionnement électrique fiable.
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