Monophasé et triphasé : le cours, du 230 V au 400 V, avec exercices

Sur un chantier de rénovation, la question tombe vite : « Vous êtes en mono ou en tri ? ». La réponse change le disjoncteur de branchement, le tableau, le choix des récepteurs et la façon de répartir les circuits. Confondre les deux, c'est risquer d'envoyer 400 V sur un appareil prévu pour 230 V, ou de griller un moteur mal couplé.

Ce cours couvre le programme du CAP électricien, du bac pro MELEC et les bases du BTS électrotechnique : grandeurs du courant alternatif, tensions simple et composée, couplage étoile ou triangle, équilibrage des phases, avec des exercices corrigés à la fin. Si vous cherchez seulement à savoir lequel des deux choisir pour une maison, notre article sur les différences entre triphasé et monophasé va droit au but.

Le courant alternatif : fréquence et valeur efficace

Le réseau français distribue un courant alternatif sinusoïdal. La tension change de sens en permanence : elle monte, redescend, passe par zéro, devient négative, puis recommence. Un cycle complet s'appelle une période T, et le nombre de périodes par seconde s'appelle la fréquence f. En Europe, f = 50 Hz, donc T = 1 / f = 1 / 50 = 0,02 s, soit 20 ms.

Quand on dit « 230 V », on parle de la valeur efficace, celle qu'affiche un multimètre en position alternatif. C'est la tension continue qui produirait le même échauffement dans une résistance. La tension atteint en réalité un maximum plus élevé, la valeur crête : pour une sinusoïde, V̂ = V × √2, soit 230 × 1,414 ≈ 325 V. Les calculs de puissance et de courant, eux, se font toujours avec les valeurs efficaces.

La tension nominale est fixée par la réglementation à 230/400 V, et le gestionnaire du réseau doit la maintenir dans une plage de plus ou moins 10 % : entre 207 V et 253 V en monophasé. Les anciens « 220/380 V » ne sont donc plus la bonne référence ; notre article sur la valeur de la tension monophasée, 220 V ou 230 V revient sur ce changement.

Le monophasé : une phase et un neutre

La grande majorité des logements français sont raccordés en monophasé. Deux conducteurs actifs arrivent au disjoncteur de branchement : la phase (L), qui porte la tension, et le neutre (N), relié à la terre au niveau du transformateur de quartier. Entre les deux, on mesure 230 V.

Le monophasé a l'avantage de la simplicité : une seule tension, des circuits à deux conducteurs actifs, un disjoncteur de branchement bipolaire. Sa limite, c'est la puissance. Tout le courant passe par un seul conducteur de phase, et Enedis plafonne la puissance souscrite en monophasé à 12 kVA pour un branchement individuel, ce qui correspond à un disjoncteur de branchement réglé à 60 A. Pour une maison chauffée à l'électricité avec une borne de recharge et une pompe à chaleur, ce plafond peut devenir juste.

Le triphasé : trois phases décalées de 120°

Un alternateur de centrale possède trois enroulements répartis à 120° les uns des autres autour du rotor. Il produit donc trois tensions sinusoïdales de même valeur et de même fréquence, mais décalées dans le temps d'un tiers de période : 360° / 3 = 120°, soit 20 ms / 3 ≈ 6,67 ms. Chaque tension circule sur son conducteur de phase, repéré L1, L2 et L3, et les trois phases partagent un neutre commun.

Ce décalage a deux conséquences très concrètes. D'abord, à chaque instant, la somme des trois tensions est nulle : quand une phase est au maximum, les deux autres sont négatives. Si les trois courants sont égaux et sinusoïdaux, ils s'annulent aussi dans le neutre, qui ne transporte alors rien. Ensuite, la puissance totale fournie à un récepteur équilibré est constante dans le temps, alors qu'en monophasé elle pulse deux fois par période. C'est ce qui donne aux moteurs triphasés un couple régulier et un démarrage sans condensateur : les trois enroulements créent un champ magnétique qui tourne tout seul.

Tension simple et tension composée : la relation √3

En triphasé, on peut brancher un voltmètre de deux façons, et on ne lit pas la même chose. Entre une phase et le neutre, on mesure la tension simple, notée V : 230 V. Entre deux phases, on mesure la tension composée, notée U : 400 V. Les deux sont liées par la relation :

U = √3 × V, soit U = 1,732 × 230 ≈ 400 V

Pourquoi √3 et pas 2 ? Parce que les deux tensions simples ne sont pas en phase : elles sont décalées de 120°. La tension entre L1 et L2 est la différence de deux vecteurs de 230 V qui font un angle de 120° entre eux. Un peu de géométrie dans le triangle formé donne U = 2 × V × cos 30° = 2 × V × (√3 / 2) = √3 × V. On le voit sur le diagramme de Fresnel ci-dessus : le segment orange U12 est plus long que chacun des vecteurs, mais moins que leur somme.

Au tableau, les phases se repèrent par la couleur des conducteurs : marron, noir et gris le plus souvent, le neutre toujours en bleu clair. Sur une installation ancienne, seule la mesure au voltmètre fait foi.

De la centrale au tableau : la distribution Enedis

Tout le réseau est triphasé, du transport jusqu'au poste de quartier. Les lignes haute tension alimentent des postes sources, qui abaissent la tension vers le réseau HTA, généralement à 20 000 V. Dans chaque quartier, un transformateur HTA/BT fournit le 230/400 V. Son enroulement secondaire est couplé en étoile, et le point commun de l'étoile, relié à la terre au poste, devient le neutre distribué. C'est pour cela qu'on dispose à la fois de 400 V entre phases et de 230 V entre chaque phase et le neutre.

Dans la rue, le câble comporte trois phases et un neutre. Un logement en monophasé est raccordé sur une phase et le neutre, ses voisins sur les autres phases, pour équilibrer le transformateur. Un logement en triphasé reçoit les quatre conducteurs.

Pourquoi tout ce réseau en triphasé ? Parce que trois phases transportent une même puissance avec moins de cuivre, et que les alternateurs comme les moteurs y sont plus simples. Le monophasé n'est qu'un « morceau » du triphasé, prélevé au dernier moment.

Couplage étoile ou triangle d'un récepteur triphasé

Un récepteur triphasé comporte trois éléments identiques : trois enroulements pour un moteur, trois résistances pour un chauffage. En couplage étoile (symbole Y), les trois éléments ont un point commun. Chacun se retrouve entre une phase et ce point commun : il reçoit la tension simple, 230 V sur notre réseau. En couplage triangle (symbole Δ), les éléments sont montés bout à bout, en boucle. Chacun se retrouve entre deux phases : il reçoit la tension composée, 400 V. Le même moteur branché en triangle au lieu d'étoile reçoit donc √3 fois trop de tension sur ses enroulements.

Lire la plaque signalétique

La plaque d'un moteur asynchrone indique deux tensions séparées par une barre, par exemple 230/400 V, avec en dessous deux courants, par exemple 14,2/8,2 A. La petite valeur, 230 V, est la tension que chaque enroulement peut supporter : c'est la tension en triangle. La grande, 400 V, est la tension du réseau en étoile, puisque 400 / √3 ≈ 230 V par enroulement. Les courants se lisent dans le même ordre : 14,2 A en ligne en triangle sous 230 V, 8,2 A en étoile sous 400 V.

La règle à retenir : on compare la tension entre phases du réseau aux deux valeurs de la plaque. Si le réseau correspond à la petite valeur, on couple en triangle ; s'il correspond à la grande, on couple en étoile. Sur notre réseau 400 V entre phases, un moteur 230/400 V se couple en étoile, un moteur 400/690 V en triangle.

Sur la plaque à bornes, les bornes sont disposées sur deux rangées : U1, V1, W1 en bas, où arrivent les phases, et W2, U2, V2 en haut. Pour l'étoile, une seule barrette relie W2, U2 et V2, qui forment le point commun. Pour le triangle, trois barrettes verticales relient U1 à W2, V1 à U2 et W1 à V2, ce qui ferme la boucle des enroulements. Boîte à bornes refermée, on vérifie le sens de rotation par une brève impulsion. Pour l'inverser, on consigne le départ, on vérifie l'absence de tension, puis on permute deux phases.

Équilibrer les phases d'une installation

Dans une maison raccordée en triphasé, presque tous les circuits restent monophasés : éclairage, prises, chauffe-eau, lave-linge. Chacun est branché entre une phase et le neutre. Le travail de l'électricien consiste à répartir ces circuits pour que les trois phases portent des courants voisins, en tenant compte de ce qui fonctionne en même temps.

L'enjeu est très concret : le disjoncteur de branchement triphasé surveille chaque phase séparément. Avec un abonnement de 12 kVA en triphasé, chaque phase ne dispose que d'environ un tiers de la puissance, soit un réglage de 20 A par phase. Une phase surchargée fait déclencher le disjoncteur alors que les deux autres sont presque à vide. C'est le piège classique du passage au triphasé sans refaire la répartition.

Un déséquilibre charge aussi le neutre. Avec trois courants égaux, le courant de neutre est nul ; avec des courants différents, il ne l'est plus. Les écarts de tension entre phases qui en résultent sont détaillés dans notre article sur le déséquilibre de tension en triphasé.

Quand passer au triphasé dans une maison

Le triphasé n'est pas un « meilleur » courant ; c'est un raccordement adapté à certains besoins. Il devient intéressant, et parfois obligatoire, dans trois situations. La première : la puissance nécessaire dépasse 12 kVA, par exemple une grande maison tout électrique avec une pompe à chaleur et un véhicule électrique. La seconde : on veut alimenter un récepteur triphasé, comme une pompe à chaleur de forte puissance, une machine d'atelier ou une borne de recharge de 11 ou 22 kW. La troisième : de longues distances entre compteur et bâtiment, où répartir le courant sur trois phases limite la chute de tension.

À l'inverse, pour un logement courant sans gros récepteur triphasé, le monophasé reste plus simple. Le triphasé impose de bien répartir les circuits, et les gros appareils monophasés, un chauffe-eau instantané ou un four par exemple, se retrouvent limités par la puissance d'une seule phase ; la plaque de cuisson, elle, se raccorde le plus souvent sur deux ou trois phases en déplaçant les barrettes de son bornier, selon la notice. La démarche administrative passe par le fournisseur d'énergie, qui transmet la demande à Enedis ; les travaux côté installation sont décrits dans notre guide pour passer du monophasé au triphasé.

Pour les niveaux bac pro et BTS

Puissance en triphasé. Pour un récepteur équilibré, P = √3 × U × I × cos φ, où U est la tension composée et I le courant en ligne. Comparons une chaudière électrique de 9 kW (cos φ = 1) : en monophasé, I = 9 000 / 230 ≈ 39,1 A ; en triphasé, I = 9 000 / (1,732 × 400) ≈ 13,0 A par phase. Le courant par conducteur est divisé par trois, ce qui permet des sections plus faibles. Le cours sur la puissance en triphasé et le facteur de puissance approfondit ces calculs avec les puissances réactive et apparente.

Courant dans le neutre. Pour des charges résistives, le courant de neutre est la somme vectorielle des trois courants de phase. Avec I1, I2 et I3 décalés de 120°, sa valeur vaut I_N = √(I1² + I2² + I3² − I1·I2 − I2·I3 − I3·I1). Il s'annule si les trois courants sont égaux. En présence d'électronique (alimentations à découpage, éclairage LED, informatique), les harmoniques de rang 3 et leurs multiples ne s'annulent plus dans le neutre : ils s'y additionnent. Dans un bureau très équipé, le neutre peut porter un courant supérieur à celui des phases, ce qui interdit de le sous-dimensionner.

Rupture du neutre. Si le neutre se coupe en amont d'une installation triphasée déséquilibrée, le point commun des charges se déplace. Les récepteurs de la phase la moins chargée voient leur tension monter vers 400 V, et ceux de la phase la plus chargée la voient baisser. Notre article sur la rupture de neutre en décrit les symptômes et les dégâts.

Démarrage étoile-triangle. Un moteur démarré en direct appelle un courant de plusieurs fois son courant nominal. Pour le limiter, on démarre en étoile puis on bascule en triangle. Cela suppose que le moteur fonctionne en triangle sur le réseau : sur un réseau 400 V, il faut donc un moteur 400/690 V. En étoile, chaque enroulement reçoit une tension divisée par √3 ; le courant en ligne et le couple de démarrage sont divisés par 3. Le procédé convient aux machines qui démarrent à faible charge, comme les ventilateurs ou les pompes centrifuges.

Manque de phase. Si une phase manque, par exemple un fusible fondu, le moteur à l'arrêt ne démarre pas : il ronfle et chauffe. Le relais thermique ou le disjoncteur moteur doit détecter ce défaut. À l'inverse, alimenter un moteur triphasé à partir d'un réseau monophasé est possible : un variateur de fréquence à entrée monophasée fournit du triphasé 230 V entre phases, et le moteur 230/400 V se couple alors en triangle. Le montage à condensateur existe aussi, mais le moteur y perd une part notable de sa puissance et de son couple de démarrage.

Les erreurs qui reviennent

La première erreur est de coupler un moteur sans lire la plaque. Un moteur 230/400 V couplé en triangle sur un réseau 400 V reçoit 400 V sur des enroulements prévus pour 230 V : il chauffe et claque rapidement. La plaque se lit avant de toucher aux barrettes, jamais après.

Deuxième erreur : brancher un appareil 230 V entre deux phases. En triphasé, un chauffe-eau ou une prise raccordés par mégarde entre L1 et L2 reçoivent 400 V. D'où l'intérêt de repérer chaque conducteur au voltmètre avant de raccorder, surtout sur une installation ancienne aux couleurs douteuses.

Troisième erreur : passer au triphasé sans refaire la répartition. Le client passe de 12 kVA mono à 12 kVA tri, garde son tableau tel quel en raccordant tout sur une phase, et le disjoncteur de branchement déclenche dès que le four chauffe : sa phase ne dispose plus que de 20 A.

Quatrième erreur : croire que le neutre ne porte jamais de courant en triphasé. C'est vrai seulement si les trois phases sont parfaitement équilibrées et les charges linéaires. En pratique, le neutre est un conducteur actif à part entière : on le dimensionne en conséquence et on ne le coupe jamais seul.

Dernière erreur, fréquente à l'examen : écrire U = 2 × V. La tension composée vaut √3 fois la tension simple.

Exercices corrigés monophasé et triphasé

Les trois premiers exercices correspondent au niveau CAP, les trois suivants au bac pro, les deux derniers au BTS. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Sur une installation triphasée 230/400 V, quelle tension lit-on entre L2 et le neutre ? Entre L1 et L3 ?

Exercice 2. Sur un réseau nord-américain, la fréquence est de 60 Hz. Calculez la période, puis le décalage dans le temps entre deux phases.

Exercice 3. Vous ouvrez un tableau inconnu. Citez deux indices qui permettent de savoir si l'installation est en triphasé.

Exercice 4. Calculez la tension composée à partir d'une tension simple de 230 V, puis la valeur crête de cette tension simple.

Exercice 5. La plaque d'un moteur indique : 4 kW, 230/400 V, 14,2/8,2 A. Le réseau de l'atelier est en 230/400 V. Quel couplage choisir, comment placer les barrettes, et quel courant attendre en ligne ?

Exercice 6. Une chaudière électrique de 12 kW (cos φ = 1) doit être alimentée. Calculez le courant en monophasé 230 V, puis en triphasé 400 V équilibré. Conclure.

Exercice 7. Une installation triphasée alimente uniquement des charges résistives monophasées : 4 600 W sur L1, 2 300 W sur L2 et 1 150 W sur L3. Calculez le courant de chaque phase, puis le courant dans le neutre.

Exercice 8. Une pompe centrifuge est entraînée par un moteur 400/690 V dont le courant nominal est de 15 A sur le réseau 400 V. En démarrage direct, le courant de démarrage vaut 7 fois le courant nominal. Quel couplage en marche normale ? Quel courant de démarrage en étoile-triangle ?

Sources

• Légifrance, arrêté du 24 décembre 2007 relatif aux niveaux de qualité des réseaux publics d'électricité, tension nominale 230/400 V et plage de plus ou moins 10 %.
• Enedis, procédure de modification de la puissance souscrite (Enedis-NMO-RAC_010E), plafond de 12 kVA en monophasé et passage monophasé-triphasé.
• Schneider Electric, quel couplage adopter pour un moteur asynchrone triphasé, tableau plaque et réseau.

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