Transformation de Fortescue

En électrotechnique, la transformation de Fortescue est utilisée afin de simplifier l'analyse des systèmes électriques triphasés déséquilibrés. Il s'agit mathématiquement d'un changement de base. L'idée de base est qu'un système asymétrique de N phaseurs (3 pour le triphasé) peut être décomposé comme la somme de N systèmes symétriques[1]. La transformation de Fortescue est ainsi également appelée méthode des composantes symétriques. Un système triphasé, que ce soit des courants, des tensions, des flux..., se décompose ainsi en trois systèmes équilibrés (ou symétriques) :

un système équilibré direct noté G_d ;
un système équilibré inverse noté G_i ;
un système de tension homopolaire noté G_o (en réalité une grandeur monophasée que l'on divise en 3 pour le calcul matriciel).

Après transformation, les trois vecteurs forment une famille libre. La méthode est principalement utilisée pour le calcul des courants de court-circuit.

Histoire

En bas, le système triphasé avant transformation, en haut à gauche le système direct (positive sequence en anglais), au centre le système indirect (negative sequence en anglais), à droite celui homopolaire (zero sequence en anglais)

En 1918, Charles Legeyt Fortescue avec son équipe (R.E. GILMAN, J.F. PETERS, J. SLEPIAN)[2] présente une publication qui démontre qu'un ensemble de N phaseurs déséquilibrés peut être décomposé comme la somme de N systèmes de phaseurs équilibrés pour le peu que N soit un nombre premier. Les phaseurs ont tous la même fréquence[3]^,[4].

La méthode a été employée en premier par les ingénieurs des sociétés General Electric et Westinghouse. Elle est universellement utilisée depuis la Deuxième Guerre mondiale.

Principe

Dans le cas d'un système triphasé, pour le système direct les trois phaseurs sont disposés de manière qu'un observateur voit défiler les trois phases dans l'ordre 1, 2 puis 3. Pour le système indirect, l'observateur voit d'abord la phase 1 puis la 3 et enfin la 2. Pour le système homopolaire, les trois vecteurs sont en phase (voir figure ci-contre)[5].

En analysant dans cette nouvelle base les différents composants du réseau électrique : générateurs, transformateurs, lignes hautes tensions... il devient possible de calculer facilement les différents courants de court-circuit.

Dans un transformateur, les courants directs créent un champ tournant dans un sens, les courants indirects un champ tournant dans le sens opposé, enfin les courants homopolaires créent un champ immobile qui oscille en amplitude. Les relais utilisés en protection électrique utilisent ces propriétés pour différencier les différents défauts électriques. L'apparition d'un système indirect est un bon indicateur d'un problème.

Systèmes triphasés homopolaires

Système triphasé avec l'angle de la phase en bleu changeant avec le temps

Composantes symétriques correspondants au système triphasé ci-dessus

Comme expliqué précédemment, ce n'est pas vraiment un système triphasé car cela correspond à un système de 3 tensions en phase :

g_{1}=G_{1}\sin(\omega t+\varphi _{1})

g_{2}=G_{2}\sin(\omega t+\varphi _{2})

g_{3}=G_{3}\sin(\omega t+\varphi _{3})

L'intérêt de ce « faux système triphasé » est de faciliter l'écriture matricielle de la transformation de Fortescue.

Matrice de transformation

Le but est de trouver les valeurs de G_d, G_i et G_o à partir de G₁, G₂ et G₃.

Calcul de G_o

Comme la somme des trois grandeurs d'un système équilibré est nulle, on a forcément :

3G_{o}\sin(\omega t+\varphi _{o})=G_{1}\sin(\omega t+\varphi _{1})+G_{2}\sin(\omega t+\varphi _{2})+G_{3}\sin(\omega t+\varphi _{3})

Opérateur de rotation : a

Remarque : Une grandeur soulignée représente le nombre complexe associé à la grandeur sinusoïdale considérée.

C'est un nombre complexe de module 1 et d'argument ${\tfrac {2}{3}}\pi$ : ${\underline {a}}=e^{j{\frac {2}{3}}\pi }$

Le résultat de sa multiplication par le nombre complexe associé à une grandeur correspond à une autre grandeur de même amplitude et déphasée de ${\tfrac {2}{3}}\pi$ par rapport à la grandeur initiale. Il correspond à une rotation de ${\tfrac {2}{3}}\pi$ dans le plan de Fresnel.

Il vérifie les propriétés suivantes :

${\underline {a}}^{3}=1$
$1+{\underline {a}}+{\underline {a}}^{2}=0$

Matrice de Fortescue

${\begin{bmatrix}{\underline {G}}_{1}\\{\underline {G}}_{2}\\{\underline {G}}_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&1&1\\1&{\underline {a}}^{2}&{\underline {a}}\\1&{\underline {a}}&{\underline {a}}^{2}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}{\underline {G}}_{o}\\{\underline {G}}_{d}\\{\underline {G}}_{i}\end{bmatrix}}$

Matrice de Fortescue inverse

${\begin{bmatrix}{\underline {G}}_{0}\\{\underline {G}}_{d}\\{\underline {G}}_{i}\end{bmatrix}}={\frac {1}{3}}{\begin{bmatrix}1&1&1\\1&{\underline {a}}&{\underline {a}}^{2}\\1&{\underline {a}}^{2}&{\underline {a}}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}{\underline {G}}_{1}\\{\underline {G}}_{2}\\{\underline {G}}_{3}\end{bmatrix}}$

Références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Symmetrical components » (voir la liste des auteurs).

Nouredine Hadjsaïd et Jean-Claude Sabonnadière, Power Systems and Restructuring, John Wiley & Sons, 2013, 704 p. (ISBN 978-1-118-59992-1, lire en ligne), p. 244
THESE présentée le 30 juin 1978 à L UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE LILLE pour obtenir le grade de DOCTEUR ès SCIENCES PHYSIQUES par Jacques LESENNE lngénieur H.E.I., Docteur-Ingénieur
(en) Charles L. Fortescue, « Method of Symmetrical Co-Ordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks », AIEE Transactions, vol. 37, n^o II,‎ 1918, p. 1027-1140 (lire en ligne) et présenté lors de la 34^e convention de l'AIEE (American Institute of Electrical Engineers) le 28 juin 1918
(en) J. Lewis Blackburn, Symmetrical Components for Power Engineering, Boca Raton, CRC Press, 1993, p. 3–4
Analyse des réseaux triphasés en régime perturbé à l’aide des composantes symétriques, 2005 (lire en ligne)

Bibliographie

Analyse des réseaux triphasés en régime perturbé à l’aide des composantes symétriques, Schneider electric, 2005 (lire en ligne)

Voir aussi

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[1] Nouredine Hadjsaïd et Jean-Claude Sabonnadière, Power Systems and Restructuring, John Wiley & Sons, 2013, 704 p. (ISBN 978-1-118-59992-1, lire en ligne), p. 244

[2] THESE présentée le 30 juin 1978 à L UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE LILLE pour obtenir le grade de DOCTEUR ès SCIENCES PHYSIQUES par Jacques LESENNE lngénieur H.E.I., Docteur-Ingénieur

[3] (en) Charles L. Fortescue, « Method of Symmetrical Co-Ordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks », AIEE Transactions, vol. 37, n^o II,‎ 1918, p. 1027-1140 (lire en ligne) et présenté lors de la 34^e convention de l'AIEE (American Institute of Electrical Engineers) le 28 juin 1918

[4] (en) J. Lewis Blackburn, Symmetrical Components for Power Engineering, Boca Raton, CRC Press, 1993, p. 3–4

[schneider-5] Analyse des réseaux triphasés en régime perturbé à l’aide des composantes symétriques, 2005 (lire en ligne)