PLUS DE LUMIERE AVEC MOINS D ENERGIE OUI MAIS ATTENTION

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1 Juin 2013 PLUS DE LUMIERE AVEC MOINS D ENERGIE OUI MAIS ATTENTION FOCUS Les ampoules classiques sont en train de disparaître. Afin d économiser l énergie on est de plus en plus amener à utiliser des lampes TL, des ampoules économiques et l éclairage LED. Alors qu une ampoule classique ne produit qu un courant sinusoïdal, ce n est souvent pas le cas pour les autres types de lampes. Dans un réseau triphasé, un courant non sinusoïdal affecte aussi bien les conducteurs de lignes que le neutre. Ceci a une influence sur les pertes par production de chaleur tant dans les conducteurs de lignes que dans le neutre. LE RESEAU ELECTRIQUE Lorsqu un réseau d alimentation triphasé est disponible, il est important de répartir au mieux les charges entre les différentes phases. Considérons que nous disposions d un réseau triphasé avec les conducteurs de ligne L1, L2,L3 et un neutre N. Les tensions de ligne entre les conducteurs ont une valeur efficace de 400V et les tensions entre lignes et neutres ont une valeur efficace de 230V Comme illustré à la figure 1, les récepteurs monophasés V1,V2,V3 sont alimentés en 230V

2 L1 400 V L2 400 V L3 400 V 230 V 230 V 230 V V1 V2 V3 N Figure 1: Schéma d un réseau triphasé avec neutre Considérons les trois récepteurs V1,V2,V3 qui : Absorbent tous un courant sinusoïdal lorsqu ils sont alimentés par une tension sinusoïdale de 230V tous ces courants sont de même intensité tous ces courants présentent un déphasage de 120 l un par rapport à l autre Dans ce cas, il n y a aucun courant qui circule dans le neutre. En effet la somme vectorielle des trois courants sinusoïdaux de même grandeur et déphasé de 120 l un par rapport à l autre est nulle. Il n y a aucune perte par chaleur au niveau du neutre, et ce même si ce conducteur est de section inférieure à celles des conducteurs de lignes. Lorsque les trois conducteurs de ligne et le neutre ont la même résistance R (même section) et que chaque récepteur absorbe un courant sinusoïdal de valeur efficace I, la puissance totale dissipée sous forme de chaleur dans le réseau est égal à : 3 R I 2. En cela, puisqu il n y a pas de courant et donc aucune chaleur dissipée dans le conducteur neutre. Page 2/11

3 Par contre, quand les 3 récepteurs sont raccordés en parallèle entre une même ligne et le neutre, le courant sinusoïdal efficace consommé est de 3xI Ce courant traverse le conducteur de ligne et le neutre. Dans le conducteur de ligne comme dans le neutre est aussi créé une puissance calorifique de R (3I) 2. La puissance calorifique totale est donc de : 18 R I 2. Il est donc clair qu il est important de répartir les charges de la manière la plus équilibrée possible entre les différentes phases. Utiliser toujours la même phase pour alimenter différents récepteurs augmente considérablement les pertes par production de chaleur. Même dans le cas de récepteurs absorbants des courants non sinusoïdaux, comme une lampe économique, il est utile, dans la mesure du possible de répartir les récepteurs d une façon uniforme entre les phases. Dans la suite du texte, nous considérons toujours que les récepteurs sont répartis uniformément. C est toujours un même type de dispositif d éclairage qui est placé entre L1 et N, L2 et N, L3 et N DIFERENT TYPES D APPAREIL D ECLAIRAGE Ci-dessous, nous comparerons différents types de dispositif d éclairage. Les puissances ainsi que les intensités lumineuses produites ne peuvent pas être comparées entre elles. En conséquence, aucune conclusion concernant l efficience de l éclairage ne peut être tirée. Considérons néanmoins, les valeurs reprises ci-dessous pour pouvoir comparer les courants dans les conducteurs de lignes et le neutre. De cette manière, nous pourrons vérifier comment évolue la production de chaleur dans le conducteur neutre. Les mesures effectuées ici sont des exemples. Si d autres types de ballasts sont utilisés, nous aurons d autres mesures Nous verrons que les mesures démontrent de manière claire qu il vaut mieux que la forme du courant traversant les conducteurs de ligne, se rapproche le plus possible d une sinusoïde idéale. Page 3/11

4 COURANTS SINUSOIDAUX: LAMPES A INCANDESECENCE Trois lampes à incandescence de 60 W forment une charge symétrique pour un réseau triphasé avec neutre. La figure 2 montre que le courant de ligne se rapproche d une forme sinusoïdale presque parfaite (une puissance de 60 W exige un courant de ligne d une amplitude d environ 370 ma). Figure 2: Forme du courant dans un conducteur de ligne Comme les 3 lampes à incandescence absorbent un même courant sinusoïdal déphasé de 120 entre eux, le courant dans le conducteur neutre est très faible. Bien que le courant traversant le conducteur neutre ait une forme anarchique (voir figure 3), la valeur de celui-ci ne dépasse jamais 1,5 ma. Figure 3: Forme du courant dans le conducteur neutre On constate que le courant de ligne I L a une valeur efficace de 264 ma tandis que le courant I N dans le conducteur neutre a une valeur efficace de 0,33 ma. La production de chaleur dans le conducteur neutre sera donc très limitée (ceci tant en valeur absolue qu en valeur relative par rapport à la chaleur produite dans les conducteurs de ligne). Page 4/11

5 COURANTS SINUSOIDAUX: LAMPES HALOGENES Trois spots de 500 W forment une charge symétrique pour un réseau triphasé avec neutre. La figure 4 montre que le courant de ligne se rapproche d une forme sinusoïdale presque parfaite (une puissance de 500 W exige un courant de ligne d une amplitude d environ 3 A). Figure 4: Forme du courant dans un conducteur de ligne Comme les 3 spots absorbent un même courant sinusoïdal déphasé de 120 entre eux, le courant dans le conducteur neutre est très faible. Bien que le courant traversant le conducteur neutre ait une forme anarchique, la valeur de celui-ci ne dépasse jamais 160 ma. Figuur 5: Forme du courant dans le conducteur neutre On constate que le courant de ligne I L a une valeur efficace de 2,1 ma tandis que le courant I N dans le conducteur neutre a une valeur efficace de 71 ma. La production de chaleur dans le conducteur neutre sera donc aussi limitée par rapport à la chaleur produite dans les conducteurs de ligne. Page 5/11

6 COURANTS NON SINUSOIDAUX: LAMPE-TL AVEC BALLAST ELECTRONIQUE Trois lampes-tl de 36 W munie d un ballast électronique (BAG Electronics BCS36.1SR-01/ ) forment une charge symétrique pour un réseau triphasé avec neutre. La figure 6 montre la forme du courant de ligne (une puissance de 36 W exige un courant de ligne d une amplitude d environ 220 ma si sa forme est relativement sinusoïdale). Figure 6: Forme du courant dans un conducteur de ligne Même avec des charges réparties symétriquement, le courant dans le conducteur neutre n est pas nul. Bien que le courant traversant le conducteur neutre ait une forme anarchique, la valeur de celui-ci ne dépasse jamais 77 ma. Figure 7: Forme du courant dans le conducteur neutre Page 6/11

7 On constate que le courant de ligne I L a une valeur efficace de 157 ma tandis que le courant I N dans le conducteur neutre a une valeur efficace de 26 ma. En comparaison avec les mesures précédentes, on remarque que proportionnellement, le courant passant dans le conducteur neutre est plus important. En effet, la forme du courant dans les conducteurs de ligne se rapproche moins d une sinusoïde idéale. COURANTS NON SINUSOIDAUX: LAMPE-TL AVEC BALLAST INDUCTIF Lorsqu on un ballast électronique est remplacé par un ballast inductif, la forme des courants absorbés s éloigne de la sinusoïde idéale. La figure 8 illustre la forme d un courant de ligne. La forme du courant généré comporte une composante de fréquence souhaitée à 50 Hz, mais elle est aussi accompagnée d une composante importante dont la fréquence se situe à 150 Hz. Remarquons qu un ballast inductif génère un décalage entre la tension effectivement appliquée et la composante à 50Hz du courant produit. Pour que ce courant déphasé puisse produire la puissance de 36 W demandée, il nécessitera une plus grande amplitude (environ 620 ma au lieu de 220 ma). Sans amélioration du cosinus phi, ce courant plus important produira une perte par dissipation de chaleur plus importante aussi. Figure 8: Forme du courant dans un conducteur de ligne Bien que la charge soit symétriquement répartie, le courant dans le conducteur neutre n est pas nul. Le courant traversant le conducteur neutre présente une composante de fréquence à 150 Hz importante. Cette composante du courant à 150 Hz est trois plus grande dans le conducteur neutre que cette même composante au sein des conducteurs de ligne. Page 7/11

8 Figure 9: Forme du courant dans le conducteur neutre Remarquons que le courant de ligne I L a une valeur efficace d environ 424 ma et que le courant dans le conducteur neutre I N a une valeur efficace d environ 117 ma. Comme la forme du courant dans les conducteurs de ligne s éloigne de la sinusoïde idéale, il en résulte un courant plus important dans le conducteur neutre. COURANTS NON SINUSOIDAUX: ECLAIRAGE LED Trois lampes LED de 1,3-2,1 W forment une charge symétrique pour un réseau triphasé avec neutre. La figure 10 montre que la forme du courant de ligne s éloigne fortement de la forme sinusoïdale idéale. Figure 10: Forme du courant dans un conducteur de ligne Page 8/11

9 Bien que la charge soit symétriquement répartie, le courant dans le conducteur neutre n est pas nul (voir figure 11). Figure 11: Forme du courant dans le conducteur neutre Remarquons que le courant de ligne I L a une valeur efficace d environ 19 ma et que le courant dans le conducteur neutre I N a une valeur efficace d environ 20 ma. Comme la forme du courant dans les conducteurs de ligne s éloigne fort de la sinusoïde idéale, il en résulte un courant dans le conducteur neutre dont la valeur est quasiment aussi importante que celle passant dans les conducteurs de ligne. La dissipation de chaleur dans le conducteur neutre est en conséquence aussi importante que celle dissipée dans les conducteurs de ligne. Page 9/11

10 COURANTS NON SINUSOIDAUX: LAMPE ECONOMIQUE Trois lampes économiques de 11 W forment une charge symétrique pour un réseau triphasé avec neutre. La figure 12 montre que la forme du courant de ligne s éloigne fortement de la forme sinusoïdale idéale. Figure 12: Forme du courant dans un conducteur de ligne Bien que la charge soit symétriquement répartie, le courant dans le conducteur neutre n est pas nul (voir figure 13). Figure 13: Forme du courant dans le conducteur neutre Remarquons que le courant de ligne I L a une valeur efficace d environ 78 ma et que le courant dans le conducteur neutre I N a une valeur efficace d environ 134 ma. Comme la forme du courant dans les conducteurs de ligne n est plus du tout sinusoïdale, il en résulte un courant dans le conducteur neutre significativement plus important que celui passant dans les conducteurs de ligne. Page 10/11

11 RESUME A partir des mesures reprises ci-dessus, il est possible de comparer la valeur efficace du courant traversant le conducteur neutre I N avec la valeur efficace du courant I L traversant les conducteurs de ligne. Au plus la forme du courant absorbé par les récepteurs se rapproche de la sinusoïde idéale, au plus faible sera l intensité du courant dans le conducteur neutre. Ce qui, en conséquence, diminuera proportionnellement la dissipation de chaleur dans le conducteur neutre. (Q N représente la dissipation de chaleur dans le conducteur neutre et Q L représente la dissipation de chaleur dans l ensemble des 3 conducteurs de ligne. Ceci en supposant que la section du conducteur neutre est identique à celle des conducteurs de ligne). I L I N I N /I L Q N /Q L Lampe à 264 ma 0,33 ma 0,13 % 0,0001 % incandescenece Lampe halogène 2,1 A 71 ma 3,4 % 0,04 % Lampe-TL (ballast 157 ma 26 ma 16,6 % 0,91 % électronique) Lampe-TL (ballast 424 ma 117 ma 27,6 % 2,54 % inductif) Eclairage LED 19 ma 20 ma 105 % 37 % Lampe économique 78 ma 134 ma 172 % 98 % Pour les systèmes d éclairage à basse énergie, les valeurs effectives des courants (tant dans les conducteurs de ligne que dans le conducteur neutre) sont suffisamment faibles et qu en conséquence, la dissipation d énergie par production de chaleur reste faible aussi. La puissance consommée par l appareil d éclairage est elle-même assez faible. Au plus la forme du courant traversant les conducteurs de lignes s éloigne de la sinusoïde idéale, au plus l intensité du courant dans le conducteur neutre augmente proportionnellement. Afin de limiter la production de chaleur dans le conducteur neutre, il est conseillé de choisir la section du conducteur neutre égale voire supérieure à la section des conducteurs de ligne. Source: Katholieke Hogeschool Brugge-Oostende Auteur: Joan Peuteman en Tommy Verbeerst Page 11/11