générateurs et installations électriques

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1995

724.247.2 f

Gnrateurs et installations lectriques

NERGIES RENOUVELABLES

Office fdral des questions conjoncturelles

Petites centrales hydrauliquesGnrateurs et installations lectriques De llectricit grce aux petites centrales hydrauliques une nergie propre qui prserve lenvironnement ! Il existe en Suisse un potentiel important dans le domaine des petites centrales hydrauliques qui pourrait savrer nancirement intressant pour de nombreuses communes, collectivits et industries. Ce mode de production a malheureusement t nglig ces dernires dcennies, la priorit ayant t donne aux grandes centrales au l de leau ou accumulation dans les Alpes. Par le Programme daction nergies renouvelables (PACER) de lOfce fdral des questions conjoncturelles, la Confdration a dcid dintervenir pour inciter les propritaires de droits deau, communes, administrations cantonales, ingnieurs, industriels et entrepreneurs sintresser cette forme de production dnergie et raliser des installations. Lobjectif est la promotion des technologies prouves des petites centrales hydrauliques (PCH) par une information objective et complte sur le sujet ainsi que la formation dingnieurs et de techniciens. La brochure Gnrateurs et installations lectriques fait partie dun ensemble de quatre publications techniques concernant la conception et la ralisation de petites centrales hydrauliques : Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune miniturbine

Conue comme document et en mme temps comme outil pratique, elle est destine aider les ingnieurs et techniciens non spcialiss qui sont concerns, dans le cadre de leur activit professionnelle, par la conception et la ralisation dune petite centrale hydraulique. Les gnrateurs et les installations lectriques des petites centrales hydrauliques sont prsents du point de vue technique, le texte tant illustr par de nombreuses gures et accompagn dexercices. La brochure contient les informations suivantes : prsentation du systme PTDU (production transport distribution utilisation) ; principes fondamentaux de llectricit ; description et fonctionnement des gnrateurs synchrones et asynchrones ; exploitation des gnrateurs en parallle sur un rseau interconnect et en rseau isol. Surveillance et contrle ; critres de comparaison entre les gnrateurs synchrones et asynchrones pour un choix optimal ; tablissement dun cahier des charges dun gnrateur ; protection et scurit des installations.

ISBN 3-905232-55-3 1995, 120 pages N de commande 724.247.2 f

Gnrateurs et installations lectriques

Petites centrales hydrauliques

Gnrateurs et installations lectriques

Programme d'action PACER Energies renouvelables Ofce fdral des questions conjoncturelles

Gnrateurs et installations lectriques

Conception, rdaction et ralisation de l'dition franaise Chapitres 1 5 J. Dos Ghali, ingnieur EPFL, 1015 Lausanne J.-P. Ludwig, ingnieur EPFL, 1015 Lausanne Chapitre 6 J.-M. Chapallaz, ingnieur EPFL/SIA, 1450 Ste-Croix Chapitre 7 Ed. Schopfer, ingnieur ETS, Inspection fdrale des installations courant fort, 1000 Lausanne Relecture technique du manuscrit F. Heer, ingnieur EPFL, 1450 Ste-Croix D. Richardet, ingnieur civil EPFL-SIA, 1400 Yverdon Correcteur J.-C. Scheder, 1038 Bercher Graphisme de la couverture Isabelle Schaaf Graphic Design, 1020 Renens Mise en pages, photocomposition et ashage DAC, 1006 Lausanne et CITY COMP SA, 1110 Morges Direction du projet et coordination J. Graf, ingnieur ETS, Fontanezier

Associations de soutienLes organisations suivantes recommandent et soutiennent la participation aux journes PACER Petites centrales hydrauliques . ACS ADER Association des communes suisses Association pour le dveloppement des nergies renouvelables Association des usiniers romands Association romande pour la protection des eaux et de lair Socit pour les techniques de lnergie de lASE Association suisse des professionnels de lpuration des eaux Centre de conseils Ofce dlectricit de la Suisse romande Association des professionnels romands de lnergie solaire Socit suisse des ingnieurs et des architectes Socit des meuniers de la Suisse romande Socit suisse de lindustrie du gaz et des eaux Union des centrales suisses dlectricit Union technique suisse Union des villes suisses

ADUR ARPEA ASE / ETG ASPEE

INFOENERGIE OFEL PROMES SIA SMSR SSIGE UCS UTS UVS

ISBN 3-905232-55-3Copyright Ofce fdral des questions conjoncturelles, 3003 Berne, aot 1995. Reproduction d'extraits autorise avec indication de la source. Diffusion: Coordination romande du programme d'action Construction et Energies EPFL-LESO, Case postale 12, 1015 Lausanne (N de commande 724.247.2 f).Form. 724.247.2 f 08.95 1000

Gnrateurs et installations lectriques

Avant-propos

Dune dure totale de 6 ans (1990-1995), le Programme daction Construction et Energie se compose des trois programmes dimpulsions suivants : PI BAT Entretien et rnovation des constructions RAVEL Utilisation rationnelle de llectricit PACER Energies renouvelables Ces trois programmes dimpulsions sont raliss en troite collaboration avec lconomie prive, les coles et la Confdration. Ils doivent favoriser une croissance conomique qualitative et, par l, conduire une plus faible utilisation des matires premires et de lnergie, avec pour corollaire un plus large recours au savoir-faire et la matire grise. Jusquici, si lon fait abstraction du potentiel hydrolectrique, la contribution des nergies renouvelables notre bilan nergtique est ngligeable. Aussi le programme PACER a-t-il t mis sur pied an de remdier cette situation. Dans ce but le programme cherche : favoriser les applications dont le rapport prix / performance est le plus intressant ; apporter les connaissances ncessaires aux ingnieurs, aux architectes et aux installateurs ; proposer une approche conomique nouvelle qui prenne en compte les cots externes ; informer les autorits, ainsi que les matres de louvrage. Cours, manifestations, publications, vidos, etc. Le programme PACER se consacre, en priorit, la formation continue et linformation. Le transfert de connaissances est bas sur les besoins de la pratique. Il sappuie essentiellement sur des publications, des cours et dautres manifestations. Les ingnieurs, architectes, installateurs, ainsi que les reprsentants de certaines branches spcialises, en constituent le public cible. La diffusion plus large dinformations plus gnrales est galement un lment important du programme. Elle vise les matres de louvrage, les architectes, les ingnieurs et les autorits. Le bulletin Construction et Energie , qui parat trois fois par an, fournit tous les dtails sur ces activits. Ce bulletin peut tre obtenu gratuitement sur simple demande. Chaque participant un cours ou

autre manifestation du programme reoit une publication spcialement labore cet effet. Toutes ces publications peuvent galement tre obtenues en sadressant directement la Coordination romande du programme daction Construction et Energie EPFL-LESO, Case postale 12, 1015 Lausanne. Comptences An de matriser cet ambitieux programme de formation, il a t fait appel des spcialistes des divers domaines concerns ; ceux-ci appartiennent au secteur priv, aux coles ou aux associations professionnelles. Ces spcialistes sont pauls par une commission qui comprend des reprsentants des associations, des coles et des branches professionnelles concernes. Ce sont galement les associations professionnelles qui prennent en charge lorganisation des cours et des autres activits. Pour la prparation de ces activits une direction de programme a t mise en place ; elle se compose du Dr Jean-Bernard Gay, du Dr Charles Filleux, de M. Jean Graf, du Dr Arthur Wellinger ainsi que de Mme Irne Wuillemin et de M. Eric Mosimann de lOFQC. La prparation des diffrentes activits se fait au travers de groupes de travail, ceux-ci sont responsables du contenu de mme que du maintien des dlais et des budgets. Documentation La brochure Gnrateurs et installations lectriques fait partie dun ensemble de quatre publications techniques concernant les petites centrales hydrauliques: Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de rception dune miniturbine Conue comme document et en mme temps comme outil pratique, elle est destine aider les ingnieurs et techniciens non spcialiss qui sont concerns, dans le cadre de leur activit professionnelle, par la conception et la ralisation dune petite centrale hydraulique. Les gnrateurs et les installations lectriques des petites centrales hydrauliques sont prsentes du

Gnrateurs et installations lectriques

point de vue technique, le texte tant illustr par de nombreuses gures et accompagn dexercices. La brochure contient les informations suivantes : prsentation du systme PTDU (production transport distribution utilisation) ; principes fondamentaux de llectricit ; description et fonctionnement des gnrateurs synchrones et asynchrones ; exploitation des gnrateurs en parallle sur un rseau interconnect et en rseau isol. Surveillance et contrle ; critres de comparaison entre les gnrateurs synchrones et asynchrones pour un choix optimal ; tablissement dun cahier des charges dun gnrateur ; protection et scurit des installations. Le prsent document a fait lobjet dune procdure de consultation, il a galement t soumis lapprciation des participants au premier cours pilote. Ceci a permis aux auteurs deffectuer les modications ncessaires, ceux-ci tant toutefois libres de dcider des corrections quils souhaitaient apporter leur texte. Dans ce sens ils assurent lentire responsabilit de leurs textes. Des amliorations sont encore possibles et des suggestions ventuelles peuvent tre adresses soit au directeur du cours, soit directement auprs de lOfce fdral des questions conjoncturelles. Pour terminer nous tenons remercier toutes les personnes qui ont contribu la ralisation de la prsente publication. Ofce fdral des questions conjoncturelles Service de la technologie Dr B. Hotz-Hart Vice-directeur

Gnrateurs et installations lectriques

Table des matires

1. 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4 4.5. 5. 5.1 5.2 5.3 6. 6.1 6.2 6.3 6.4 7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Systme PTDU Principes fondamentaux de l'lectrotechnique Circuit lectrique Paramtres Utilisation du courant alternatif Caractristiques dun rseau alternatif Caractristiques des utilisateurs Gnrateurs Dnitions Introduction Machine synchrone Machine asynchrone triphase Exploitation des gnrateurs Plaques signaltiques Bornier Couplage Fonctionnement en rseau interconnect Fonctionnement en rseau isol Anomalies et contrles Comparaison entre les gnrateurs synchrone et asynchrone Qualit de l'nergie lectrique Critres techniques de comparaison Comparaison des cots l'investissement Informations concernant le cahier des charges d'un gnrateur Introduction Informations soumettre au fournisseur Documents/informations recevoir avec l'offre Vrication des performances Protection et scurit des installations Bases lgales Dangers de l'lectricit Protection des installations Protection des machines tournantes Obligations juridiques Bibliographie Liste des publications et vidos du programme daction PACER

7 9 11 11 18 23 24 29 31 31 37 44 55 57 62 64 70 77 81 83 83 85 87 89 89 90 90 91 93 96 100 102 110 115 117

1. Systme PTDU

1. Systme PTDU

Un schma de principe dun systme de Production Transport Distribution Utilisation (PTDU) est reprsent la gure 1.1. Composants du systme Production synchrone Turbine + Gnrateur asynchrone Rglage: frquence tension cos Transport Transformateur lvateur [pas pour des petites centrales] Ligne Transformateur abaisseur [pas pour des petites centrales]

Distribution Sous-station et / ou Systme de distribution aux consommateurs Utilisateurs Rsistances pures, cos = 1 clairage, cuisson, chauffage Rsistances + inductances, cos < 1 moteurs, transformateurs A tous les niveaux du systme PTDU, il faut que les personnes et le matriel soient protgs. Protections Surcharge court-circuit mise terre

MOYENNE TENSION Transformateur

HA UT E

TE NS IO N

Tr an sp or t

Transformateur

BA SS E

TE NS IO N

Petite centrale hydrolectrique

Di str ibu tio n

Consommateur Centrale hydrolectrique de grande puissance neuve Transformateur

Figure 1.1: Schma de principe d'un systme PTDU

7

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.2.9 2.2.10 2.2.11 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.4.1 2.3.4.2 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5

Circuit lectrique Paramtres Tension Courant Frquence Facteur de puissance cos Puissance active Puissance ractive Puissance apparente Energie Rsistance Condensateur Inductance Utilisation du courant alternatif Avantages du courant alternatif Gnralits et avantages du courant triphas Gnration dun systme triphas Couplages Couplage toile Couplage triangle Caractristiques dun rseau alternatif Caractristiques des utilisateurs Circuit rsistif pur Circuit inductif pur Circuit capacitif pur Combinaisons de circuits Impdance

11 11 11 12 13 13 14 14 14 14 15 16 16 18 18 18 18 19 20 21 23 24 24 24 26 27 28

9

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique2.1 Circuit lectrique

Un dplacement dlectrons dans un conducteur cre un courant lectrique. Lnergie qui en rsulte peut tre convertie par des utilisateurs (chaleur, mouvement mcanique, informations). Les 3 parties dun circuit lectrique sont : la source, le conducteur, la charge. On peut faire lanalogie entre circuit lectrique et circuit hydraulique (gure 2.1).

2.22.2.1

ParamtresTension

Les lectrons dans un conducteur ne peuvent se dplacer que sil y a une diffrence de pression lectrique . Cette pression lectrique est appele tension et se mesure en volts [V]. La tension est semblable la diffrence de pression p en hydraulique (gure2.1).

ISource V A

Q

Diffrence de pression

p

Lampe T InterrupteurMoteur

Dbitmtre

Turbine

Figure 2.1: Analogie circuit lectrique circuit hydraulique

11

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.2.2

Courant

Sil y a une tension entre 2 points dun circuit lectrique, un mouvement de charges (lectrons) va se crer pour compenser cette diffrence. Ce mouvement, appel courant, est comparable au dbit hydraulique (gure 2.1) ; il se mesure en ampres [A]. Lorsque le mouvement de charges est toujours dans le mme sens, le courant sappelle courant continu. De mme, la tension sappelle tension continue. Si ce mouvement alterne dun sens un autre, on parle de courant alternatif et de tension alternative (gure 2.2). En rgime alternatif, la valeur moyenne est nulle (gure 2.3). On dnit : la valeur de crte et ; la valeur efcace : Ueff = /2 et Ieff = /2.

Figure 2.2 : Circuit hydraulique alternatif

Valeur efcace = 10A Thermomtre

Ce courant alternatif produit le mme effet thermique que ce courant continu Fer souder

Figure 2.3 : Comparaison de signaux continu alternatif

12

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.2.3

FrquenceRadians Degrs

Le nombre de cycles complets en 1 seconde est appel frquence. Elle se mesure en hertz [Hz] (gure 2.4). La frquence 50 Hz correspond 50 cycles par seconde. Le cycle (ou la priode) T correspond une dure de 20 ms.

Temps

2.2.4

Facteur de puissance cos

Certains utilisateurs lectriques peuvent crer un retard entre la tension et le courant. Linstant o le courant est maximum ne correspond pas ncessairement au maximum de tension (gure 2.5). Sans modication du rseau ou de lutilisateur, ce retard reste constant. Il est indpendant du temps. Il peut sexprimer en valeur relative (T / T). Plus gnralement, il est exprim en degr en admettant que la priode T reprsente 360, cest langle . On lui associe presque toujours son cosinus. Si la frquence au cours du temps ne varie pas (f = constante), seules les grandeurs , , et peuvent se modier. On peut les reprsenter plus simplement sur un diagramme appel phaseur (gure 2.6).

Alternance positive

Alternance ngative

Priode

Figure 2.4 : Signal alternatif

Figure 2.5: Dphasage entre U et I

Figure 2.6: Phaseur

13

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.2.5te S ren ppa a ce san uis PPuissance ractive Q

Puissance active

Puissance active P Travailleur Chemin

La puissance active est la puissance qui participe la transformation effective. Cette puissance intresse lutilisateur ; elle sera convertie en puissance utile, soit thermique (chaleur), mcanique (rotation), chimique (lectrolyse). Elle est donne par (gure 2.7) : P = U I cos P=UI (alternatif) (continu) [W] [W]

de CorRail Wagon

2.2.6Figure 2.7: Reprsentation de la puissance

Puissance ractive

La puissance ractive est une puissance ncessaire la cration du champ magntique dans des inductances ou du champ lectrique dans des capacits (gure 2.7): Q = U I sin Q=O (alternatif) (continu) [var] [var]

2.2.7

Puissance apparente

La puissance apparente est une puissance qui transite dans la ligne (gure 2.7) S=UI S=UI S = (P2 + Q2)1 /2 (alternatif) (continu) [VA] [VA]

2.2.8

Energie

Lnergie active est le produit dune puissance active et dune dure (temps). Elle sexprime par : E=Pt [J]

Lunit de lnergie est le joule qui correspond une puissance de 1 W pendant 1 s 1J=1W1s Lunit utilise pour lnergie lectrique est le [kWh] 1 kWh = 1000 W 3600 s = 3600 kJ

14

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.2.9

Rsistance

Symbole : R Unit : OHM () Comme les pertes par frottements dans un circuit hydraulique, le conducteur oppose une rsistance au courant lectrique. Cette proprit est nomme rsistance R :

R= l A

o l = longueur (m) A = section du conducteur (mm2) = rsistivit qui dpend du matriau et de la temprature

mm2 mLa chute de tension dans la rsistance est donne par la loi dOhm : U=RI Lnergie perdue dans la rsistance se transforme en chaleur (radiateur, chauffe-eau, fer souder). La puissance dissipe peut sexprimer par : P=UI Or, U = RI, donc P = R I2 ou P = U2 / R Ces pertes sont appeles pertes joules et provoquent un chauffement. Les matriaux utiliss dans les machines lectriques sont essentiellement le cuivre et laluminium. Leur rsistivit varie linairement avec la temprature. Lorsque la temprature passe dune valeur initiale To une valeur nale T, la rsistivit pour le cuivre et laluminium varie selon la loi (gure 2.8) :

Rsistivit

T = To 1 +

T To 235 + ToTemprature

Rsistivit du cuivre 20C : 0,0175 mm2 / m Rsistivit de laluminium 20C : 0,03 mm2 / m

Figure 2.8 : Rsistivit en fonction de la temprature

15

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

De la mme manire, puisque la rsistance R est proportionnelle la rsistivit :

RT = RTo 1 +

T To 235 + To

2.2.10

Condensateur

Symbole : C Unit : FARAD (F)Force d'attraction

Soient deux plaques mtalliques places face face. Lorsquon applique une tension continue entre ces deux plaques, il apparat une accumulation de charges lectriques positives sur lune des plaques et ngatives sur lautre. Les deux plaques constituent un condensateur lmentaire (gure 2.9). La capacit C du condensateur est le rapport entre la charge Q et la tension applique U :

Haute tension

C=Q U

(F)

F= As V

Figure 2.9 : Capacit lmentaire

Dans la pratique les condensateurs utiliss ont des capacits trs petites. Cest pourquoi lunit utilise est le microfarad (F) ou le picofarad (pF). Un condensateur de 1 farad a une capacit telle que sil est charg avec 1 ampre pendant 1 seconde, sa tension crot de 1 volt. 2.2.11 Inductance

Symbole : L Unit: HENRY (H) Linductance L dune bobine est le facteur de proportionnalit entre le ux magntique et le courant qui lui est associ :

L= I

(H)

H= Vs A

Lunit de linductance est le henry. Cest la valeur dune bobine (relais, self damorage de non) telle que, pour une tension de 1 volt applique pendant 1 seconde, le courant varie de 1 ampre. La bobine possde une rsistance R et une inductance propre L. Ces deux lments peuvent tre

16

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

considrs en srie. La tension totale aux bornes de la bobine est de la forme :

U = R I + L I tUne bobine dinductance L tend sopposer une variation du courant qui la traverse. Lors de lenclenchement dune source de tension continue U0 sur un circuit compos dune rsistance R et dune inductance L en srie (gure 2.10), le courant met un certain temps atteindre la valeur rgie par la loi dOhm : I = U0 / R Le courant i stablit selon une loi exponentielle (gure 2.11) avec une constante de temps dnie par :Figure 2.10 : Schma dun circuit inductif

uL

uR

= L R

(s)

La tension uL aux bornes de linductance a la valeur U0 au premier instant, puis elle dcrot de faon exponentielle jusqu 0 avec la mme constante de temps .

uLLa tension uR aux bornes de la rsistance est nulle au premier instant et augmente de faon exponentielle pour atteindre la valeur U0. Une bobine dinductance peut tre alimente en courant continu ou en courant alternatif. Si linductance est idale, cest--dire que sa rsistance est nulle, alors elle reprsente un court-circuit en courant continu. Linductance L emmagasine une nergie magntique W:

uR

W = 1 L I2 2

Figure 2.11 : Etablissement du courant et des tensions dans un circuit inductif

(J)

Cette nergie nest pas transforme en chaleur.

17

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.3

Utilisation du courant alternatifAvantages du courant alternatif

2.3.1

Le courant alternatif prsente certains avantages par rapport au courant continu : faible cot de transport ; transformation facile ; moteurs et gnrateurs alternatifs plus faciles construire ; lments denclenchement et de coupure plus simples. 2.3.2 Gnralits et avantages du courant triphas

La production et la distribution en monophas nest valable que dans le cas de petites puissances (< 5 kW). Pour des puissances plus leves, les rseaux sont triphass. Par rapport au monophas, le systme triphas permet davoir des appareils de dimensions plus rduites. Il est donc plus conomique. Il permet de gnrer facilement un champ tournant qui sera ensuite exploit dans des moteurs.120

Uu1u2

Le transport dnergie par lignes triphases est plus conomique en matriaux quune ligne monophase ou continue. 2.3.3 Gnration dun systme triphas

UW1W2 Reprsentation vectorielle

UV1V2

Figure 2.12 : Dphasage entre les 3 tensions triphases

Un systme triphas de courants (ou de tensions) est en fait le rsultat de 3 courants (ou de 3 tensions) monophass qui sont dphass les uns par rapport aux autres de 120 (ou 2/3 radian) selon la gure 2.12.

18

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

Il suft donc, pour avoir un tel systme, de considrer une machine bipolaire compose dun rotor 2 ples (N / S) et dun stator comprenant 3 bobines dphases lune par rapport lautre de 120. Les gures 2.13 et 2.14 reprsentent une telle machine ainsi que les 3 sinusodes engendres par la rotation du rotor dans le stator.

U1

V2

W2

Tensions de phase Ce sont les tensions aux bornes des bobines : Uu1u2 - Uv1v2 - Uw1w2W1

Tte de bobine

Tensions simples Ce sont les tensions entre les entres des bobines et le point neutre : Uu1N - Uv1N - Uw1N ou UL1N - UL2N - UL3N

V1

U2

Tensions de ligne ou tensions composes Ce sont les tensions entre deux entres de bobine ou entre deux lignes du rseau (ou de la charge): Uu1v1 - Uv1w1 - Uw1u1 ou UL1L2 - UL2L3 - UL3L1 Courants de phase Ce sont les courants qui traversent les bobinages (gnrateurs, moteurs,) ou les phases dune charge triphase : Iu1 - Iv1 - Iw1 Courants de ligne Ce sont les courants qui traversent les connexions entre le rseau et la charge: Iligne 2.3.4 Couplages

Figure 2.13 : Alternateur triphas

1 priode

Uu1u2 Uv1v2

Les couplages les plus utiliss pour les gnrateurs, les moteurs et les charges triphases sont : le couplage toile ; le couplage triangle. Il est important de connatre dans ces deux couplages : les relations entre tensions simples et composes ; les relations entre courants de phase et de ligne; les expressions des puissances.

Uw1w2

Figure 2.14 : Les 3 tensions gnres par lalternateur

19

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.3.4.1 Couplage toile Symbole : Y Le couplage toile est obtenu en reliant les unes aux autres les sorties des trois phases U2 - V2 - W2. Avec le couplage toile, le point neutre peut tre accessible (gure 2.15).

IL1 L1 UL1L2 UL1L3 UL2L3 IU1 U1 IV1 V1 IL3 IW1 NW1

IL1 U1

IL2

L2 IU1 L3 UU1V1 = UL1L2 120 N UU1N = UU1U2

UU1, U2 U2 V2 W2 V1 Iv1 IL2 Iw1 IL3 W1

Figure 2.15 : Couplage toile

Tensions UL1L2 = UU1V1 = 3 . UU1U2 Courants Le courant de phase est gal au courant de ligne : IL1 = IU1 IL2 = Iv1 IL3 = Iw1

Puissances Puisquun systme triphas est quivalent trois systmes monophass, on peut crire : pour la puissance apparente : S = 3 Uphase Iphase (VA) De mme pour la puissance active, on a : P = 3 Uphase Iphase cos (W) et pour la puissance ractive : Q = 3 Uphase Iphase sin (var)

20

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

En se rfrant aux relations de tensions o : Ucompose Uphase = 3 et puisque le courant de phase est gal au courant de ligne : Iphase = Iligne alors : S =3 Uligne Iligne

(VA))

De mme pour la puissance active, on a : P = 3 Uligne Iligne cos (W) et pour la puissance ractive : Q = 3 Uligne Iligne sin (var)

Impdance (voir 2.5.5) Limpdance Uphase Z phase = I phase devient, dans ce cas de couplage toile :

Z Yphase =

Uligne 3I ligne

2.3.4.2 Couplage triangle Symbole : Le couplage triangle est obtenu en reliant la sortie de chaque phase U2 - V2 - W2, lentre de chaque phase conscutive (gure 2.16). Tensions La tension de phase est gale la tension de ligne : UU1U2 = UU1V1 = UL1L2 Courants IL1 = 3 . IU1

21

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

Puissances Partant de lexpression gnrale de la puissance apparente S = 3 . Uphase Iphase et en se rfrant aux relations de tensions et de courants pour ce couplage, on trouve : S = 3 Uligne Iligne (VA)

Cette expression est identique celle pour le couplage toile. Impdance (voir 2.5.5) Limpdance

Z phase =

Uphase I phase

devient, dans ce cas de couplage triangle :

Z phase =

Uligne I ligne 3 3 Uligne I ligne

Z phase =

En comparant avec ZYphase, pour avoir les mmes valeurs de tension et de courant, limpdance de phase dans le couplage triangle est 3 fois plus grande que limpdance correspondant au couplage toile : Z = 3 ZY

22

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

IL1 L1 IL2 L2 IL3 L3 U1 IU1 V1 IV1 W1 IW1 IW1 V2 U2 W2 IV1 U2 V1 IL2 V2 IL3 W1 IU1U1

IL1 W2

Figure 2.16 : Couplage triangle

2.4

Caractristiques dun rseau alternatif

Un rseau lectrique est caractris par : le nombre de phases ; la tension U ; la frquence f ; la puissance de transfert. Exemple : rseau triphas, 3 x 400 V / 230 V - 50 Hz -10 kVA La tolrance sur la tension est de 10 %. Une grandeur importante pour la production dnergie par microcentrale est la chute de tension dans la ligne. Pour une ligne et une puissance de transfert donnes, la production devra compenser la chute de tension dans la ligne, ce qui peut entraner une tension trop leve chez lautoproducteurutilisateur.

23

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

I

2.5

Caractristiques des utilisateurs

U

UR

Lutilisateur est caractris par : la tension U ; la frquence f ; la puissance active P ; le cos . 2.5.1 Circuit rsistif pur

Figure 2.17 : Schma dalimentation dune rsistance

U I

= 0

Soit une rsistance R alimente par une tension efcace U et traverse par un courant efcace I selon la gure 2.17. Le courant et la tension sont en phase (gure 2.18). = 0; d'o: cos = 1 et sin = 0 La gure 2.19 reprsente les valeurs instantanes de tension, de courant et de puissance. La loi dOhm est, dans ce cas, valable comme en courant continu : U = R I (V) La puissance active, selon les dnitions ci-dessus, est gale : P = U I cos = U I = S Do :

Figure 2.18 : Dphasage entre la tension et le courant pour un circuit rsistif

P = R I2 = U RFigure 2.19 : Courbes des tension, courant et puissance pour une rsistance

2

(W)

La puissance ractive est nulle: Q = U I sin = 0 puisque sin = 0 2.5.2 Circuit inductif pur

IU UL

Soit une bobine ayant une inductance L et qui est alimente par une tension efcace U selon le schma de la gure 2.20. Le courant et la tension sont dphass de + 90, ou + /2 radians, (gure 2.21).

Figure 2.20 : Schma dalimentation dune self

= + /2 do : cos = 0 et sin = + 1

24

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

Les valeurs instantanes de tension, de courant et de puissance sont reprsentes sur la gure 2.22. On remarque que la tension est en avance sur le courant de / 2, cest--dire que la tension atteint sa valeur maximum (de crte) avant le courant. Le courant est limit par ce quon appelle la ractance inductive. Ractance inductive XL Cest la rsistance en courant alternatif dans le cas dune inductance. Lunit de la ractance est donc la mme que celle de la rsistance (). La ractance inductive est le produit de la pulsation par la valeur de la self L : XL = L = 2 f L ()

U

IFigure 2.21 : Dphasage entre la tension et le courant pour une self

o f est la frquence de la tension et du courant. On peut donc crire : U = XL I = L I (V)

Si f = 0, U = 0 et le circuit est en court-circuit. Cest le cas en courant continu avec une inductance pure. Si f = , I = 0 et le circuit est ouvert. Daprs la gure 2.22, on voit que la puissance instantane uctue autour de la valeur moyenne nulle. Pendant un quart de priode, elle est positive et lnergie est emmagasine sous forme dnergie magntique et pendant le quart de priode suivant, cette nergie magntique est renvoye la source. La puissance active est donc nulle. P = U I cos = 0 Par contre, il existe une puissance ractive : Q = U I sin = U I (var) Q = XL I2 = L I2 = U2 / XL (var) Une inductance absorbe de lnergie ractive.Figure 2.22 : Courbes des tensions, courant et puissance pour une self

25

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.5.3 I

Circuit capacitif pur

Soit un condensateur C aliment par une tension efcace U selon le schma de la gure 2.23. UUc

Le courant et la tension sont dphass de 90, ou /2 radians (gure 2.24). = / 2 do : cos = 0 et sin = 1 Les valeurs instantanes de tension, de courant et de puissance sont reprsents sur la gure 2.25. On remarque que la tension est en retard sur le courant de /2, cest--dire que la tension atteint sa valeur maximum (de crte) aprs le courant. Le courant est limit par ce quon appelle la ractance capacitive.

Figure 2.23 : Schma dalimentation dune capacit

I

Ractance capacitive XC Cest la rsistance en courant alternatif dans le cas dune capacit. Lunit de la ractance est donc la mme que celle de la rsistance (). La ractance capacitive est linverse du produit de la pulsation par la valeur de la capacit C :

= -90

Xc =U

1 = 1 C 2fC

()

o f est la frquence de la tension et du courant.Figure 2.24 : Dphasage entre la tension et le courant pour un circuit capacitif

On peut donc crire :

Uc = X c I =

1 I C

(V)

Si f = , U = 0 et le circuit est en court-circuit. Si f = 0, = 0 et le circuit est ouvert. Cest le cas en courant continu. Le condensateur bloque le courant. Daprs la gure 2.25, on voit que la puissance instantane uctue autour de la valeur moyenne nulle. Pendant un quart de priode, elle est positive et lnergie est emmagasine sous forme dnergie lectrostatique et, pendant le quart de priode suivant, cette nergie lectrostatique est renvoye la source. En courant alternatif, le condensateur laisse passer le courant.

Figure 2.25 : Courbes des tensions, courant et puissance pour une capacit

26

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

La puissance active est donc nulle: P = U I cos = 0 (W) Par contre, il existe une puissance ractive : Q = U I sin = U I (var)

Q = Xc I2 =

1 I2 CI

2 Q = U = C U2 Xc

UR Un condensateur fournit de lnergie ractive. U 2.5.4 Combinaisons de circuits UL Rsistance et inductance en srie (gure 2.26). On part du triangle des puissances (gure 2.7) dni par : la puissance apparente S = U I la puissance active P = U I cos la puissance ractive Q = U I sin o est langle de dphasage entre le courant et la tension. En divisant chaque ct par le courant I, on obtient un triangle de tension (gure 2.27) : UR = U cos UL = U sin UR et I sont en phase U L et I sont dphass de + 90 ou + /2 radians

Figure 2.26 : Circuit compos dune rsistance et dune self

ULU

UR IFigure 2.27 : Diagramme des tensions

U=

2 2 UR + UX L

En divisant les cts de ce triangle une nouvelle fois par I, on obtient un triangle dimpdances (gure 2.28)

AZB

AB = Z = U (voir par. 2.5.5) I BC = R = Z cos = U cos I ()

XL R C

AC = X L = L = Z sin = U sin () ( = 2f) I

Figure 2.28 : Diagramme des impdances

27

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

2.5.5

Impdance

Symbole : Z Unit : OHM () Limpdance Z dun circuit aliment par une tension et un courant alternatifs est donc le rapport entre les valeurs efcaces de tension U et de courant I. Elle est compose dun terme rsistif R et dun terme ractif X.

Z=

R 2+ X 2

()

N.B. Linverse de limpdance (1 / Z) est ladmittance Y dont lunit est le siemens (S) = (1 /).

28

3. Gnrateurs

3. Gnrateurs

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8

Dnitions Introduction Champ magntique Flux magntique Induction magntique Cration dune force lectromagntique Tension induite Tension induite de mouvement ou de rotation Gnratrice lmentaire Courants de Foucault Machine synchrone Gnralits Principe Bilan des puissances Rendement Symbole Tension induite dans les machines synchrones Caractristiques en gnrateur Exercices Machine asynchrone triphase Gnralits Principe Symbole Couple lectromagntique Puissances et couple Caractristiques Fonctionnement en gnratrice Exercices

31 31 31 33 33 34 35 36 36 37 37 38 41 41 42 42 43 44 44 44 46 46 47 50 52 53

29

3. Gnrateurs

3. Gnrateurs

3.1

Dnitions

Un gnrateur lectromcanique convertit lnergie mcanique quil reoit son arbre (turbine) en nergie lectrique distribue au consommateur. Il sagit de lnergie active. Le consommateur peut tre : le rseau interconnect qui xe la tension et la frquence ; un rseau isol auquel le producteur doit garantir une tension ainsi quune frquence qui doivent tre toutes deux xes et stables dans une fourchette admissible pour les appareils du consommateur. Dans les installations de production dnergie lectrique de petite dimension, il y a lieu de choisir entre deux types de gnrateurs : le gnrateur synchrone; le gnrateur asynchrone. Dans les deux cas : la machine est compose dun rotor et dun stator; le bobinage au stator, en gnral triphas, est le sige dune tension induite aux bornes de chaque phase.

3.23.2.1

IntroductionChamp magntique (A / m)n ctio Dire -sud nord

Symbole : H Unit : AMPRE PAR MTRE

Soit un aimant permanent suspendu de faon ce quil puisse sorienter librement (gure 3.1): lextrmit de laimant qui soriente vers le nord gographique est dsign par ple nord ; lextrmit de laimant qui soriente vers le sud gographique est dsign par ple sud . Laimant permanent cre autour de lui un champ magntique.

Ple sud

Ple nord

Figure 3.1 : Aimant suspendu

31

3. Gnrateurs

S

N

En saupoudrant de la limaille de fer autour de laimant, on met en vidence lexistence de lignes de champ magntique (spectre magntique). La limaille de fer se concentre autour des ples (gure 3.3).S N S

N

S

N

S

N

Les lignes de champ sortent du ple nord de laimant et y retournent par le ple sud. Elles se referment au travers de laimant (gure 3.2). des ples de mme nom se repoussent (gure 3.4); des ples de nom contraire sattirent (gure 3.5). Pice de fer dans un champ magntique La prsence de fer dans un circuit magntique dforme le champ : les lignes de champ se concentrent dans la pice de fer (gure 3.6).

Figure 3.2 : Lignes de champ

N

SN S N S

Figure 3.3 : Cration dun champ par un aimant

Figure 3.5 : Attraction

S

N

N

S

Figure 3.4 : Rpulsion

Figure 3.6 : Lignes de champ dans une pice de fer

32

3. Gnrateurs

Champ magntique cr par un courant dans une bobine Un conducteur parcouru par un courant engendre un champ magntique. Le sens des lignes de champ dpend du sens du courant (gure 3.7). Un courant I traversant une bobine, constitue dun nombre N de spires, cre un champ magntique. Cest un lectroaimant (gure 3.8). Lamplitude du champ H dpend de : de lamplitude du courant I; du nombre de spires N ; de la longueur moyenne l des lignes de champ.S

N Sens du champ magntique

Figure 3.7 : Champ magntique cr par un courant

l (longueur)

H= NI l

A m

Le produit N I est le potentiel magntique ou solnation .

Ligne de ux N S

3.2.2

Flux magntique (Wb) I

N (tours)

Symbole : Unit : WEBER

Soit une bobine de N spires (gure 3.8). Lorsque la bobine est parcourue par un courant I, on cre des lignes de champ magntique. Lensemble des lignes de champ est le ux .

Figure 3.8 : Champ cr par une bobine

3.2.3

Induction magntique (T) = (Wb / m2)

A = 25 cm2

Symbole : B Unit : TESLA

Linduction magntique est le ux par unit de surface de passage de ce ux.

B= A

(T)A = 25 cm2 = 0,0025 m2 = 0,0025 Wb B=1T

Sur la gure 3.9 : Si alors

Figure 3.9 : Exemple

33

3. Gnrateurs

3.2.4

Cration dune force lectromagntique

Interaction de 2 courants Deux conducteurs parcourus par des courants de mme sens sattirent (gure 3.10). Deux conducteurs parcourus par des courants de sens contraire se repoussent (gure 3.11). Interaction dun courant et dun champ magntique Soit un conducteur travers par un courant I et plac dans un champ dinduction B (cr par un aimant permanent par exemple) perpendiculaire au conducteur (gure 3.12). Une force F est alors exerce sur le conducteur crant un dplacement de celui-ci. La force est proportionnelle : linduction moyenne B ; au courant I circulant dans le conducteur ; la longueur utile l du conducteur. Si le conducteur est perpendiculaire linduction B : F=BIl (N)

F F

Attraction

Figure 3.10 : Forces dattraction cres par deux courants

Sens de la force

N F F

S

Champ magntique Conducteur parcouru par un courant

Rpulsion

Figure 3.11 : Forces de rpulsion cres par deux courants

Figure 3.12 : Force due linteraction d'un courant et d'un champ magntique

34

3. Gnrateurs

Le sens de la force est dtermin selon la rgle de la main gauche. Il dpend du sens du courant et du sens des lignes de champ (gure 3.13). 3.2.5 Tension induite

Courant I

Champ magntique B

Soit un aimant permanent crant un champ magntique dinduction B dont le sens va du ple nord N au ple sud S. Un conducteur de longueur l est plac entre les ples de laimant de faon ce quil coupe perpendiculairement les lignes de champ magntique. Ce conducteur est reli un voltmtre. Lorsquon dplace le conducteur une vitesse v, on constate une dviation du voltmtre (gure 3.14). La tension ainsi obtenue est la tension induite. Cette tension induite est proportionnelle : linduction B qui traverse le conducteur; la vitesse v du conducteur; la longueur l du conducteur. Ui = B l v (V)

Force F

Figure 3.13 : Sens de la force courant-champ

Le sens du courant induit cr par la tension induite (circuit ferm) est dni par la rgle de la main droite (gure 3.15). Une tension induite Ui est cre aux bornes dun conducteur ou dune bobine lorsque le conducteur ou la bobine se dplace dans un champ magntique ; lorsque le conducteur (ou la bobine) est travers par un ux variable. Si on a une bobine N spires :

N

I

Courant induitS

Figure 3.14 : Tension induite

Ui = + N

t

Rgle de la main droite pour gnrateurs Courant induit

Flux

La tension totale aux bornes dune bobine de rsistance R est alors gale la somme de la tension induite et de la chute de tension due la rsistance (loi dOhm) : utot = R i + N t

S Dplacement

N

Figure 3.15 : Sens du courant de mouvement (rgle de la main droite)

35

3. Gnrateurs

3.2.6

Tension induite de mouvement ou de rotation Gnratrice lmentaire

Une tension induite alternative peut tre gnre en faisant tourner une spire (ou une bobine N spires) dans un champ magntique cr par un aimant permanent ou par un lectroaimant. On obtient ainsi une gnratrice lmentaire courant alternatif (gure 3.16), o la rotation provoque la variation du ux embrass par la spire ou la bobine.

ui

Figure 3.16 : Gnratrice lmentaire

Tension Flux magntique

3.2.7

Courants de Foucault

Pendule

Une pice massive, avec un matriau conducteur, qui est dplace dans un champ magntique est le sige de courants induits (ferms sur eux-mmes) quon appelle courants de Foucault (gure 3.17).

Plaque de cuivreN

Courant induitS

Figure 3.17 : Courants de Foucault

36

3. Gnrateurs

Pour limiter ces courants dans les circuits magntiques, il faut lameller le fer en faisant des paquets de tles minces isoles entre elles comme indiqu sur la gure 3.18

Tles, d'env. 0,5 mm d'paisseur isoles entre elles

Rivet

3.33.3.1

Machine synchroneGnralitsNoyau de transformateur

Dans le fonctionnement en moteur, la frquence de rotation de la machine est rigoureusement impose par la frquence du courant alternatif qui alimente le stator. De mme en gnrateur, la frquence lectrique sera impose par la vitesse de rotation. Cette proprit justie la dnomination de synchrone. La frquence f dlivre par le gnrateur synchrone est directement proportionnelle la vitesse de rotation n de son rotor :Figure 3.18 : Tles

Tle de transformateur Rivet

Isolation

f=pn o p, le nombre de paires de ples, est le facteur de proportionnalit. Quelques valeurs pour 50 Hz :

Nombre de ples 2p 2 4 6 8 10 12Tableau 3.1

Vitesse n (t / min) 3000 1500 1000 750 600 500

37

3. Gnrateurs

3.3.2

Principe

Dans une machine synchrone (gure 3.19), on distingue : linducteur (rotor) parcouru par un courant continu ou parfois constitu daimants permanents ; linduit (stator) parcouru par des courants alternatifs en gnral triphass. Le stator triphas est compos de trois groupes de conducteurs, logs dans les encoches du stator. Ces derniers sont associs pour former trois enroulements identiques (un par phase) et dcals dun angle lectrique de 120 les uns par rapport aux autres. Ils sont parcourus par trois courants qui forment un systme triphas et crent un champ tournant excitateur.

Rotor Stator Alimentation courant continu

Poulie d'entranement

Alimentation (3 phases, courant alternatif)

Figure 3.19: Reprsentation schmatique d'une machine synchrone

38

3. Gnrateurs

Dans une machine synchrone le stator est ralis selon le principe de la gure 3.20 pour une machine 2 ples ou de la gure 3.21 pour une machine 4 ples. Un schma simpli du bobinage dune machine 4 ples est propos la gure 3.22. Les indices reprsentent les phases, les couples de lettres (a-b et c-d) les paires de ples. Les conducteurs crent un champ tournant rpartition sinusodale, comportant 2p ples, dont la vitesse s est lie la pulsation lectrique des courants dalimentation et au nombre p de paires de ples dtermin par le bobinage du stator. s = / p = 2 ns s : vitesse en rad / s ns : vitesse en tour / sS1

Inducteur S2

E1

Stator S3

E2

E3

Figure 3.21 : Stator triphas 4 ples

Le rle du rotor est de crer le champ magntique tournant ncessaire engendrer la tension induite alternative aux bornes du stator.

a2 b3

b1 a1

a3 b2

Figure 3.20 : Stator triphas 2 ples

Figure 3.22 : Reprsentation simplie dun bobinage quadripolaire

39

3. Gnrateurs

Le rotor, dun point de vue magntique est donc un aimant qui peut tre de 2 types : le rotor aimants permanents, dans lequel le ux cr est constant. La tension induite ne dpend donc que de la frquence (voir 3.3.5); le rotor avec bobinage dexcitation, dans lequel le ux varie avec le courant continu inject dans la bobine (courant dexcitation). Dun point de vue constructif, on considre : le rotor ples lisses o lentrefer est constant ; le rotor ples saillants. Pour des raisons conomiques, les machines de petite puissance ples saillants sont rares. Les constructeurs utilisent plutt des tles de rotors de moteurs asynchrones. Le bobinage est mont dans les encoches de manire avoir le nombre de ples dsir. Les diffrents types dexcitation avec bobinage sont reprsents aux gures 3.23, 3.24, 3.25.Figure 3.23 : Excitatrice auxiliaire

StatorL1 L2 L3 N

gnrateur principal Rotor

Rsistance d'ajustage

GSA

gnrateur auxiliaire

Figure 3.24 : Excitation diodes tournantes

Figure 3.25 : Excitation en sous-tirage

40

3. Gnrateurs

3.3.3

Bilan des puissances Rendement

Puissance d'entre

Voir bilan gure 3.26. La puissance Pabs. absorbe par le gnrateur synchrone est la puissance mcanique Pmec. larbre Pabs. = Pmec. La puissance active Putile fournie au rseau, ou aux consommateurs, sexprime en fonction de la tension aux bornes dune phase et du courant dans chaque phase par : Putile = 3 Uph Iph cos et en fonction de la tension compose et du courant de ligne : Putile = 3 Uligne Iligne - cos Pertes cuivre Pertes par ventilation

Pertes par frottement

La diffrence entre les puissances absorbe et fournie reprsente les pertes dans le gnrateur synchrone : Pabs - Putile = PERTES Les diffrentes pertes sont : les pertes par frottement et ventilation ; les pertes dans le circuit magntique du stator, ou pertes fer ; les pertes cuivre dues au passage du courant dans les 3 bobinages du stator; les pertes par effet joule dans le bobinage dexcitation. Le rendement est le rapport entre les puissances fournie et absorbe :

Pertes fer

Puissance utile

Figure 3.26 : Bilan de puissance

=

Putile Pabsorbe

=

Putile Putile + PertesU1 V1 MS 3~

3.3.4

Symbole

W1

Le symbole normalis dune machine synchrone est reprsent la gure 3.27.Figure 3.27: Symbole de la machine asynchrone

41

3. Gnrateurs

3.3.5 Ui B Uio A

Tension induite dans les machines synchrones

La tension induite Ui aux bornes dune phase est proportionnelle : la frquence f, cest--dire la vitesse ; au ux magntique cr par le champ dexcitation, qui est lui-mme gnr par le courant dexcitation iexc ; au nombre de spires N en srie par phase. Ui = K N f (V)

La formule prcdente donne la valeur efcace de la tension induite dans chacune des phases. Lorsque le rotor tourne vitesse constante, elle peut scrire: Ui = K iexc (V)

Figure 3.28 : Caractristique vide. Le point de fonctionnement se trouve en gnral dans la zone entre les points A et B

La variation de la tension induite Ui en fonction du courant dexcitation iexc est appele caractristique vide. Elle est reprsente la gure 3.28. 3.3.6 U Caractristiques en gnrateur

Uio UN

Si lalternateur est entran vitesse constante et quil alimente une charge en lot, les caractristiques obtenues montrent que la tension (U) varie beaucoup en fonction de lintensit du courant dbit et en fonction du dphasage impos par la charge. Ces caractristiques sont appeles caractristiques externes et sont reprsentes la gure 3.29. Ainsi, pour avoir une tension xe, il faudra rgler le courant dexcitation du gnrateur. Pour adapter la frquence, il faudra rgler le dbit deau dans la turbine. Ces fonctions sont remplies par un organe de rgulation (voir chapitres 4 et 5).

Figure 3.29 : Caractristiques externes. Les caractristiques sont traces pour 3 valeurs de

42

3. Gnrateurs

3.3.7

Exercices

1. La tension entre phases dun alternateur triphas coupl en toile est gale 380 V. Il dbite un courant dintensit efcace de 6.0 A dans une charge triphase dont le facteur de puissance est de 0.85. a) Quelles sont les puissances active, ractive, apparente de la charge ? b) Sachant que le rendement de lalternateur est de 89.5 %, calculer la puissance mcanique quil absorbe. c) Dans ces conditions de fonctionnement, dterminer les pertes de lalternateur. Rponse: 3357 W, 2080 var, 3949 VA, 3751 W, 394 W 2. Un alternateur triphas 4 ples 380 V (toile) 50Hz, alimente un moteur asynchrone triphas qui absorbe une puissance de 3.0 kW. Le facteur de puissance du moteur est gal 0.9, son stator est coupl en triangle. Lalternateur absorbe une puissance mcanique de 3.4 kW. a) Calculer lintensit efcace I du courant de ligne ? b) Dterminer le rendement de lalternateur pour ces conditions de fonctionnement ? Rponse: 5 A, 88.24 %. 3. A vide, un alternateur aimants permanents fournit une tension induite de phase de valeur efcace 220 V lorsque le rotor tourne 1500 t/min. Quelle est la tension induite lorsque le rotor tourne 2000 t / min ? Rponse: 293.3 V

43

3. Gnrateurs

3.4

Machine asynchrone triphaseGnralits

3.4.1

La machine asynchrone, appele aussi machine induction, peut, comme toutes les machines lectriques, fonctionner aussi bien en gnratrice quen moteur. Cest toutefois le plus rpandu des moteurs lectriques, parce quil est simple, de construction robuste, et dun prix de revient relativement modique. Ces avantages sont surtout dus au fait que le rotor nest branch sur aucune source extrieure de tension, sauf utilisation particulire avec rotor bobin. Il doit son nom de moteur induction au fait que le champ tournant du stator induit des courants alternatifs dans le circuit rotorique. 3.4.2 Principe

La machine asynchrone est constitue dun lment xe circulaire appel stator, dans lequel tourne un lment mobile cylindrique appel rotor (gure3.30). Les deux lments sont faits de tles magntiques empiles, de faible paisseur (0.2mm, 0.5 mm), dans le but de rduire les pertes fer dues la prsence de champs magntiques alternatifs. Le stator dune machine asynchrone est identique au stator dune machine synchrone (chap. 3.3.2). Le rotor comporte un bobinage en court-circuit. Il peut tre constitu aussi d'un cylindre massif en matriau conducteur. Dans les deux cas, le bobinage rotorique forme un circuit ferm sur luimme.

Le rotor cage dcureuil est le plus couramment utilis. Il se compose de barres de cuivre ou daluminium places dans des encoches et relies entre elles chaque extrmit par un anneau de mme matire. Les tensions induites tant gnralement faibles, les barres ne sont souvent pas isoles du corps rotorique (tles). Le rotor bobin est constitu de bobines de l isol places dans des encoches et relies, comme le bobinage statorique, de faon raliser un

44

3. Gnrateurs

enroulement triphas. En fonctionnement normal, les trois phases sont court-circuites entre elles. Sous laction du champ tournant, des tensions sont induites dans les conducteurs rotoriques. Ces derniers sont alors parcourus par des courants induits (courants de Foucault) qui crent le champ tournant induit. Linteraction du champ excitateur et du champ induit cre un couple moteur responsable de la rotation du moteur. Daprs la loi de Lenz, le systme ragit en sopposant la cause du phnomne dinduction magntique, cest--dire au dplacement relatif du champ tournant par rapport aux conducteurs rotoriques.

Stator (culasse) Stator (bobinage) Rotor cage

Figure 3.30: Machine asyncrone

45

3. Gnrateurs

3.4.3

Symbole

W1 V1 U1

Le symbole normalis dun moteur asynchrone est donn la gure 3.31. M 3~

3.4.4

Couple lectromagntique

Figure 3.31: Symbole d'une machine asynchrone

Dans une machine asynchrone (gure 3.32), un champ tourne dans lentrefer une vitesse angulaire s. En rgime moteur le rotor de la machine tourne la vitesse angulaire infrieure s. Les conducteurs du rotor sont alors soumis un champ magntique variable qui tourne par rapport euxmmes la vitesse (s - ). Il en rsulte une tension induite dans les conducteurs. Ceux-ci tant en court-circuit, des courants induits y circuleront. Si le moteur comporte p paires de ples, la pulsation des courants rotoriques est : r = p (s - ) = p s s = s

Axe xe

s est appel glissement; il reprsente lcart relatif de vitesse entre le champ tournant et le rotor, rapport la vitesse du champ tournant. Cest un nombre sans dimension que lon exprime gnralement en %. s = (s - )/ s = (ns - n) / ns Si la vitesse tait gale s, il ny aurait plus de dplacement relatif du champ tournant par rapport au conducteur du rotor, donc pas dactions lectromagntiques et pas de couple moteur. En moteur, le glissement est positif n < ns. Le rotor est en retard par rapport au champ tournant, il fournit un couple. En gnrateur, le glissement est ngatif n > ns. Le rotor est en avance par rapport au champ tournant statorique ; on doit fournir un couple larbre par la machine dentranement (turbine).

(s-) t

Figure 3.32 : Champ dans lentrefer Le champ rsultant dans lentrefer est rpartition sinusodale. Il est gur ici par la direction de son axe dnie par le vecteur unitaire (nT). Ce champ tourne la vitesse angulaire s. Il provient de la composition du champ d au stator qui tourne la vitesse s et du champ d aux courants rotoriques dont la vitesse angulaire vaut : + (s - ) = s

46

3. Gnrateurs

Les diffrents conducteurs du rotor sont soumis des forces de Laplace (gure 3.33) qui rsultent de linteraction du champ tournant avec les courants induits. Laction de lensemble des forces lectromagntiques se rduit un couple lectromagntique rsultant (Mem). Il dveloppe une puissance lectromagntique gale Mem s.

3.4.5

Puissances et couple

La puissance active (P) absorbe par un moteur ou fournie par une gnratrice peut sexprimer par : P = 3 U I cos [W] U = tension entre phases du rseau I = courant dans la ligne = dphasage entre la tension de phase et le courant de phase La puissance mcanique utile Pu larbre dun moteur est fonction du couple utile Mu et de la vitesse angulaire du rotor. Pu = Mu o = 2 n [rad. / s]

Figure 3.33 : Forces de Laplace Les spires dun rotor cage sont balayes par un champ tournant. A chaque instant laxe de la spire o lintensit est maximale concide avec laxe du champ rotorique qui tourne la vitesse s. Celle-ci est donc la fois la vitesse de rotation de la distribution des courants induits et celle de lensemble des forces de Laplace qui glissent par rapport au rotor la vitesse s

Le rapport entre la puissance absorbe et la puissance utile donne le rendement de la machine :

=

Pu Pa

La diffrence de ces deux puissances constitue la somme des pertes dissipes dans la machine : Pa - Pu = Pertes

47

3. Gnrateurs

Pel (absorbe)

Ces pertes sont de quatre ordres : mcaniques : Pf + v dues aux frottements et la ventilation fer : Pfer par hystrse et courants de Foucault dues aux champs magntiques alternatifs. Au rotor, elles sont ngligeables du fait de la faible frquence du champ.s Pem

Pem (1-s) Pem

par effet Joule - au stator :

Pmec

Pcus = 3 Rs I 2 so Rs est la rsistance statorique - au rotor :

Pcur = Z R Rr I 2 rParbre (utile)

o Rr est la rsistance dune barre rotorique; Zr est le nombre de barres rotoriques. supplmentaires : Psup dues aux harmoniques suprieurs du champ magntique et la prsence des encoches; elles sont estimes environ 0,5% de la puissance utile. Le bilan nergtique, ou ux de puissance, permet danalyser dans le dtail la conversion de lnergie lectrique en nergie mcanique ou vice versa (gures 3.34 et 3.35).

Figure 3 .34 : Bilan de puissance en moteur

Pel (utile)

Pem

En moteur, la puissance transmise au rotor (Pem ou P) est la puissance absorbe (Pa) diminue des pertes fer, des pertes Joule au stator et des pertes supplmentaires :Pem = Pa - Pfer - Pcus - Psup

Pem (1-s) Pem

s Pem < 0

Pem est appele puissance lectromagntique (ou puissance dentrefer). Elle est transmise au rotor par le couple lectromagntique Mem dvelopp grce au champ tournant. Pem = Mem s s = 2 ns tant la vitesse angulaire du champ tournant [rad / s]. Le couple lectromagntique est le mme sur le rotor et sur le stator. Mais la vitesse du rotor est plus faible que celle du champ tournant s : = (1 - s) s

Parbre (absorbe)

Figure 3.35 : Bilan de puissance en gnratrice PFe = pertes fer statoriques Pcus = pertes ohmiques statoriques Pcur = pertes ohmiques rotoriques Pf+v = pertes mcaniques

48

3. Gnrateurs

La puissance se transmet au rotor avec un couple constant, mais avec une perte de vitesse. La puissance mcanique est donc plus faible que la puissance lectromagntique : Pmec = Mem La diffrence (Pem - Pmec) est perdue par leffet Joule dans le rotor : Pcur = Pem - Pmec = Mem . (s - ) = Mem s s

Pcur = s Pem = 3 Rr I 2 rDo lon tire : Pmec = (1 - s) Pem et

Pem =

3 Rr I 2 r s

La puissance utile est obtenue en enlevant de la puissance mcanique les pertes mcaniques Pf + v. Pu = Pmec - Pf + v Le couple utile a pour expression :

Mu =o

Pu = Mem Mf + v Pf + v

Mf + v =

Remarque : le couple lectromagntique est proportionnel aux pertes Joule dans le rotor :

Mem =

Pem 3 Rr I 2 r = s s s

Au dmarrage, les pertes mcaniques Pf+v sont nulles et le glissement est gal lunit. Donc :

Med = Mud =

3 Rr I 2 r s

49

3. Gnrateurs

3.4.6

Caractristiques

La machine asynchrone est caractrise par une courbe de couple reprsente la gure 3.36. Il est aussi intressant de reprsenter diverses caractristiques du moteur en fonction de sa puissance mcanique, tels que le rendement (), le cos , le courant (I), le glissement (s), le couple utile (Mu) (gure3.37). Si la machine travaille en gnrateur, il est prfrable de reprsenter ces courbes en fonction de la puissance utile, cest--dire de la puissance lectrique fournie aux consommateurs (gure 3.38).

Couple M [Nm]

Couple critique

Couple de dmarrage Couple pleine charge Fonctionnement normal

Vitesse synchrone Couple vide

Vitesse de rotation

Fonctionnement en frein

nominale

Vitesse

Fonctionnement en moteur

Fonctionnement en gnrateur

Figure 3.36 : Courbe de couple en fonction de la vitesse ou du glissement En fonctionnement normal, le moteur travaille dans la partie linaire de la courbe

50

3. Gnrateurs

cos s

cos

Charge nominale

Mu

[Nm]

I [A] 15

Mu 10

I

5 s

Pmec.utile

[kW]

Figure 3.37 : Caractristiques dun moteur asynchrone 2,8 kW 3 x 380 V 50 Hz 1425 t / min

51

3. Gnrateurs

moteur

gnrateur

In cos m m Point nominal I / In g cos g en moteur Point nominal en gnrateur

Pel / Pmec n

Pmecn = puissance mcanique nominale en moteur Pel = puissance lectrique

Figure 3.38 : Caractristiques dune machine asynchrone en moteur et en gnrateur

3.4.7

Fonctionnement en gnratrice

Comme nous lavons vu dans les paragraphes prcdents, la machine asynchrone peut fonctionner en gnrateur sous certaines conditions : elle doit tre entrane (turbine) une vitesse suprieure la vitesse synchrone ; ainsi le glissement est ngatif. Pour un fonctionnement nominal en gnratrice, la puissance lectrique fournie correspondra environ la puissance mcanique nominale en moteur. Le glissement sera proche, au signe prs, du glissement nominal pouvant tre dtermin grce la vitesse indique sur la plaque signaltique (chap. 4.1) ; la machine asynchrone consomme toujours de la puissance ractive, aussi bien en moteur quen gnrateur du fait que lenroulement statorique est toujours lenroulement excitateur. Cette puissance ractive sera fournie par le rseau ou par une batterie de condensateurs (chap. 4.2 et 4.3).

52

3. Gnrateurs

En gnratrice, le rendement est dni par :

=

Pel Pmec

En rgime gnrateur, la puissance ractive est suprieure celle consomme. D'o: cos Gen. < cos mot. Ainsi, le rendement sera plus faible en gnratrice quen moteur. 3.4.8 Exercices

1. Un moteur asynchrone triphas cage (220 V /380 V, 50 Hz) est aliment par une ligne triphase 380 V, 50 Hz. Quel doit tre le couplage des enroulements du stator ? Rponse: toile. 2. Un moteur asynchrone prsente les caractristiques suivantes : 5 kW, 220 V / 380 V, 50 Hz, 732 t/ min. Quel est le nombre de ples du stator ? Rponse: 8 ples. 3. Un moteur asynchrone triphas dont les enroulements triphass sont coupls en triangle est aliment par le rseau triphas 400 V, 50 Hz. Chaque phase du stator a une rsistance Rs = 0,40 75C. Lintensit efcace dans un l de la ligne est gale 11,2 A. Dterminer les pertes par effet Joule au stator ? Rponse: 50 W. 4. Un moteur asynchrone triphas absorbe une puissance lectrique Pa = 9.0 kW. Les pertes fer et les pertes Joule au stator sont gales 500 W. Le glissement est de 2.5 %. Dterminer les pertes par effet Joule dans le rotor ? Rponse: 213 W. 5. Les essais en charge dun moteur asynchrone triphas 6 ples dont le stator est coupl en triangle ont donn les rsultats suivants : U = 400 V (entre phases), I = 24 A, Pa = 14.8 kW, n = 970 t / min. essai vide : U = 400 V, I0 = 11 A, Pa = 360 W.

53

3. Gnrateurs

mesure de la rsistance statorique : Rs = 0.50 20C A partir de ces essais dterminer : a) le glissement s, b) le cos , c) la somme des pertes fer du stator et des pertes mcaniques, d) les pertes par effet Joule au stator en charge nominale, e) les pertes par effet Joule au rotor en charge nominale, f) la puissance mcanique utile et le rendement, g) le moment du couple utile. Rponse: 3.0 %, 0.89, 300 W, 288 W, 426 W, 13.8 kW, 93.5 %, 135.7 Nm. 6. Une machine asynchrone fonctionne en gnrateur sur le rseau interconnect. Ses caractristiques de fonctionnement sont les suivantes : U = 380 V couplage en toile, I = 5 A, cos = 0.65, = 80 %. Dterminer : a) la puissance active fournie au rseau, b) la puissance ractive absorbe, c) la puissance mcanique absorbe. Pour les mmes conditions de fonctionnement, on dsire obtenir un cos = 1.0 en branchant des capacits. Calculer : d) le courant dans la ligne, e) le courant dans le moteur. Rponse: 2145 W, 2356 var, 2681 W, 3.25 A, 5 A.

54

4. Exploitation des gnrateurs

4. Exploitation des gnrateurs

4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.5

Plaques signaltiques Bornier couplage Fonctionnement en rseau interconnect Caractristiques de fonctionnement sous U = cte et f = cte Rglage de la puissance active P Rglage de la puissance ractive, du cos Mise en marche Fonctionnement en rseau isol Caractristiques Rglage de la frquence Rglage de la tension Charge ballast Cas particulier d'un moteur asynchrone triphas utilis en gnratrice pour un rseau monophas Mise en marche Anomalies et contrles

57 62 64 64 64 66 68 70 70 71 72 72 74 75 77

55

4. Exploitation des gnrateurs

4. Exploitation des gnrateurs

4.1

Plaques signaltiques

Les principales indications que lon trouve sur la plaque signaltique dune machine lectrique sont les suivantes (voir sur les gures 4.1 et 4.2 un exemple respectivement pour un moteur asynchrone et une gnratrice synchrone) : 1. 2. 3. 4. Fabricant Type

Fabr. Nr. 987654.001 B3 kW 2,2 5 8 IP 54 S1 11

1

Type : 100L4BZ IEC 34-1 6 9 KL. B Mot. 12 15 17 19 kg 25 3~

2 4 7 10 13

3

V 220 / 380Y A 8,7 / 5,0 1415

Hz 50

14 cos 0,85 16 18

Numro de srie Norme de rfrence Dans la majorit des cas, il sera fait mention des recommandations de la CEI 34-x (Comit lectrotechnique international) qui concernent les machines lectriques tournantes, lexclusion des machines de traction. Dans dautres cas, il sera fait rfrence aux normes nationales dun pays. Pour la Suisse, il sagit des normes de lASE (Association suisse des lectriciens) qui se rfrent pour certaines parties aux recommandations de la CEI. Formes dexcution et dispositions de montage (voir tableau 4.3). Protection : IPxy Il sagit de la protection contre les particules solides (chiffre x) et du degr dtanchit (chiffre y) (voir tableaux 4.4). Classe disolation Dnit lchauffement max., respectivement la temprature max. (voir tableau 4.5). Dans la majorit des cas des machines de petite puissance, lisolation est de classe B ou F. Puissance nominale / Puissance max. a) Machines synchrones : Il sagit de la puissance apparente : S = 3 Uligne Iligne (VA) o U et I sont les valeurs nominales de tension et de courant de la machine (voir 11 et 14).

t/min

20

Figure 4.1 : Plaque signaltique dun moteur asynchrone

Fabr. Nr. 7654.002 B3 VA 3'000 5 8 IP 54 S1 11

1

Type GS3450-1 IEC 34-1 6 9 KL. F Gen. 12 0,9 15 17 3~

2 4 7 10 13

3

5.

V 380 Y A 5,0

Hz 50

14 cos 16 18 Ve 75

6.

t/min 1500 Excit. Ae 12,5

19 kg 45

20

Figure 4.2 : Plaque signaltique dune machine synchrone

7.

8.

57

4. Exploitation des gnrateurs

La puissance active nominale que la gnratrice synchrone peut fournir est : P = S cos = 3 Uligne Iligne cos b) Machines asynchrones : Il sagit de la puissance nominale larbre Pmec en fonctionnement moteur. La puissance active absorbe correspondante est :

13. Frquence nominale Frquence pour laquelle la machine a t dimensionne. 14. Courant nominal Il sagit du courant de ligne. Cest la valeur pour laquelle lchauffement max. est garanti. La dure dun dpassement ventuel doit tre limite de manire ne pas endommager lisolation du bobinage. 15. Facteur de puissance cos a) Machines synchrones : valeur pour laquelle le circuit dexcitation a t dimensionn.

P P1m = mec = 3 Uligne I ligne cos o U et I sont les valeurs nominales de tension et de courant de la machine (voir 11 et 14). La puissance max. que lon peut fournir un consommateur, dans le fonctionnement en gnratrice, est : P1gmax. = 3 . Uligne Iligne, avec cos = 1 Pour des gnratrices asynchrones de petite puissance, on peut admettre que cette puissance max. fournie aux bornes de la machine est : P1gmax. = Pmec nominale en moteur 9. Conditions de fonctionnement Il sagit du cycle de fonctionnement prvu pour la machine sans dpasser les limites admissibles de temprature. La dsignation S1, par exemple, reprsente un fonctionnement permanent aux conditions nominales (voir tableau 4.6).

b) Machines asynchrones : valeur correspondant la charge nominale en fonctionnement moteur.16. Vitesse de rotation

a) Machines synchrones : vitesse synchrone. b) Machines asynchrones : vitesse nm correspondant la puissance nominale (8) dans un fonctionnement en moteur. Dans le cas dun moteur asynchrone utilis en gnratrice, on peut estimer la vitesse ng correspondant aux puissance et frquence nominales partir de la vitesse nm indique sur la plaque signaltique dun moteur : ng = 2 ns - nm o ns est la vitesse synchrone du champ tournant.17. Sens de rotation Vu du ct accouplement. Parfois cette indication nest pas grave sur la plaque signaltique, mais sur la carcasse de la machine. 18 /19. Courant / Tension au rotor

10. Type de fonctionnement prvu par le constructeur Mot. = en moteur Gen. = en gnrateur 11. Tension nominale / couplage Il sagit de la tension compose (entre 2phases). Variations possibles 5 %. Couplages : Triangle : Etoile : Y

Pour les machines synchrones, le couplage du bobinage du stator est toujours en toile (pour liminer lharmonique 3 de la tension compose). Pour les connexions correspondant au couplage, voir paragraphe 4.2.

a) Machines synchrones avec bobinage dexcitation au rotor : le courant dexcitation Ae est celui qui correspond aux valeurs nominales de tension, de courant et de cos indiques sur la plaque signaltique. Cest la valeur pour laquelle lchauffement max. est garanti ; la tension dexcitation Ve est celle qui correspond au courant Ae par la relation : Ve = Re. Ae, o Re est la rsistance de lenroulement dexcitation 75C.

58

4. Exploitation des gnrateurs

b) Machines asynchrones rotor bobin : la valeur de tension est celle qui correspond la tension induite aux bornes du rotor ouvert, larrt ; la valeur du courant est celle qui correspond au courant induit pour la charge nominale, le bobinage rotorique tant court-circuit.20. Autres indications La masse, ou linertie, ou le type de refroidissement, ou.Moteur pattes de xation horizontalB3 B6 B7 B8

vertical

V5

V6

Moteur bride de xation Brides trous lisses traversants

horizontal

B5

vertical

V1

V3

Moteur bride Brides trous tarauds

horizontal B 14

vertical

V 18

V 19

horizontal

B 3/B 5

B 3/B 14

vertical

V 5/V 1

V 6/B 3

Tableau. 4.3 : Formes dexcution et dispositions de montage (CEI 34-7)

59

4. Exploitation des gnrateurs

Lettres caractristiques IP 1er chiffre caractristique x : 0 6 2e chiffre caractristique y : 0 8

Protection contre la pntration de corps solides et de liquide (eau) Degr de protection contre la pntration de corps solides Degr de protection contre la pntration deau

1er chiffre caractristique x 0 1 2

Degr de protection

2e chiffre caractristique y 0 1 2

Degr de protection

Pas de protection Protection contre les corps > 50 mm Protection contre les corps > 12 mm Protection contre les corps > 2,5 mm Protection contre les corps > 1 mm Protection contre la poussire Etanchit la poussire

Pas de protection Protection contre les chutes verticales de gouttes d'eau Protection contre les chutes deau pour une inclinaison maximale de 15 Protection contre leau en pluie Protection contre les projections deau Protection contre les jets deau Protection contre les paquets de mer Protection contre les effet de l'immersion Protection contre limmersion prolonge

3 4 5 6

3 4 5 6 7 8

Tableaux 4.4 : Type de protection (CEI 34-5 1991 + DIN 40'050)

60

4. Exploitation des gnrateurs

Classe d'isolationA E B F H

Echauffement max. 60C 75C 80C 105C 125C

Temprature max. 105C 120C 130C 155C 180C

Tableau 4.5 : Classe disolation et limites dchauffement / temprature pour machines de puissance infrieure 200 kW (CEI 34-1)Dsignation service type S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Service continu Services temporaires Services intermittents priodiques Services intermittents dmarrage Services intermittents dmarrage et freinage lectrique Services interrompus charge intermittente Services interrompus dmarrage et freinage Services interrompus changement de vitesse priodique Fonctionnement

Tableau 4.6 : Cycles de fonctionnement (CEI 34-1)

Dure d'un cycle Charge D N R R = Repos Tmax = Temprature maximale atteinte au cours du cycle Pertes D = Dmarrage N = Fonctionnement charge constante

Facteur de marche =

D + N 100% D+N+R

Temprature

Tmax

Exemple : Service type S4 intermittent priodique dmarrage

61

4. Exploitation des gnrateurs

4.2

Bornier couplage

Un bornier de machine lectrique triphase comporte : a) pour le stator : 3 ou 6 bornes Sil ny a que 3 bornes, le couplage du bobinage (toile ou triangle) est form lintrieur de la machine. Le seul moyen de connatre le couplage est de se rfrer la plaque signaltique. Sil y a 6 bornes, le couplage se fait selon les gures 4.7. et 4.8. Pour changer le sens de rotation du rotor (pour un moteur) ou le sens du champ tournant, il faut croiser les connexions sur les deux phases extrmes. b) pour le rotor : Cas des machines synchrones : 2 bornes (alimentation courant continu). Cas des machines asynchrones rotor bobin : 3 (ou 4) bornes.

62

4. Exploitation des gnrateurs

U2

V2

W2

W2

U2

V2

U1

V1

W1

U1

V1

W1

L1

L2

L3

L1

L2 Machine asynchrone

L3

Machine synchrone

Figure 4.7: Couplage toile

W2

U2

V2

W2

U2

V2

U1

V1

W1

U1

V1

W1

L1

L2

L3

L3

L2

L1

Sens de rotation direct

Inversion du sens de rotation

Figure 4.8: Couplage triangle d'une machine asynchrone

63

4. Exploitation des gnrateurs

Caractristiques gnratrice synchrone U = cte et f = cte

4.3

Fonctionnement en rseau interconnect

4 3 Is [A]

On entend par rseau interconnect, le rseau principal o la tension U et la frquence f sont rigides, cest--dire que leur valeur ne varie pratiquement pas en fonction de la charge.0.25 Pa 0.5 Pa 0.66 Pn 0.8 Pn Pn

2

1 0 0 2 Iexc [A] 4 6

Les 2 types de gnratrices, synchrone et asynchrone, sont analyss du point de vue de : leurs caractristiques ; des rglages des puissances active et ractive ; de leur mise en marche pour produire de lnergie sur le rseau principal. 4.3.1 Caractristiques de fonctionnement sous U = cte et f = cte

Figure 4.9 : Courbes en V d'une machine synchrone de 2300 VA 3 x 380 V 50 Hz

a) Machines synchrones Les caractristiques les plus intressantes pour lexploitant, en cas de fonctionnement tension et frquence constantes, sont les suivantes : les courbes en V reprsentant la variation du courant stator en fonction du courant dexcitation pour diffrentes valeurs de puissance active dbit variable (gure 4.9) ; les caractristiques de rglage reprsentant la variation du courant dexcitation en fonction du courant stator, pour diffrentes valeurs du facteur de puissance cos (gure 4.10). b) Machines asynchrones Variation de la vitesse en fonction du couple mcanique (gure 3.36). Variation du courant, du facteur de puissance, du rendement en fonction de la puissance fournie (gure 3.38). 4.3.2 Rglage de la puissance active P

Figure 4.10 : Caractristiques de rglage

Pour les 2 types de machines, la puissance active fournie par la gnratrice est fonction du dbit deau disposition. Il faut donc prvoir un rgulateur agissant sur le dbit (vanne motorise, distributeur, pointeau, ). Le rgulateur de la turbine a pour fonction de maintenir un niveau deau constant (prise deau) pour assurer la mise en pression de linstallation (voir brochure PACER Rgulation et scurit d'exploitation).

64

4. Exploitation des gnrateurs

Remarques: a) Si les puissances nominales de la turbine et de la gnratrice ne correspondent pas tout fait, la puissance active, donc le dbit, doit tre limite de faon ce que le courant nominal de la gnratrice ne soit pas dpass (limitation de l'ouverture de la turbine). b) Pour les gnratrices asynchrone et synchrone, si le dbit deau est trop faible, la machine peut fonctionner en moteur et absorber de la puissance au rseau. Dans ce cas, la gnratrice doit tre dconnecte du rseau. c) Dans le cas des centrales au l de l'eau, s'il ny a pas de possibilit de rgler le dbit, la puissance active variera en fonction des variations naturelles du dbit et de la hauteur de chute.

Rglage de dbit

Rglage de Q ou cos

L1

L2

L3

N

2

I5 1

Figure 4.11 : Schma global dune installation (machine synchrone) avec rglages de dbit deau et de courant dexcitation1 = Turbine 2 = Contacteur d'alimentation de l'excitation 5 = Disjoncteur de connexion au rseau

65

4. Exploitation des gnrateurs

L1

L2

L3

N

Rsistance d'ajustage

2

I5 1

Figure 4.12 : Schma global sans rglage de dbit Iexc = cte (cas dune machine synchrone) 1 = Turbine 2 = Contacteur d'alimentation de l'excitation 5 = Disjoncteur de connexion au rseau

4.3.3

Rglage de la puissance ractive, du cos

La puissance ractive est ncessaire aux consommateurs qui possdent des moteurs courant alternatif. a) Cas des machines synchrones Le rglage de la puissance ractive se fait au moyen du rglage du courant dexcitation. Pour augmenter la puissance ractive fournie au rseau (inductif > 0), il faut augmenter le courant dexcitation par rapport au fonctionnement vide (sans charge). Si lon diminue le courant dexcitation par rapport au fonctionnement vide, la machine absorbe de lnergie ractive (rseau capacitif < 0). Dans tous les cas, il faut surveiller le courant du stator pour quil ne dpasse pas le courant nominal. Remarque: En cas de coupure du rseau par dfaut (voir chapitre 7.4.3), le systme d'excitation doit aussi tre dconnect.

66

4. Exploitation des gnrateurs

b) Cas des machines asynchrones La machine asynchrone absorbe toujours de la puissance ractive, quelle fonctionne en moteur ou en gnratrice. Lamplitude de cette puissance ractive varie avec la charge. Si elle doit tre compense pour amliorer le facteur de puissance dune valeur cos 1 une autre cos 2, il faut installer une batterie de condensateurs, raison dun condensateur par phase de capacit Cphase.

Cphase =

P (tg 1 tg 2)2 3 UCphase

avec = 2 f La compensation parfaite est celle qui correspond cos 2 = 1 (2 = 0). En pratique la compensation se fait cos 2 = 0,9. Pour les gnratrices asynchrones de petite puissance, l'angle 1, correspondant aux conditions nominales, peut tre estim par:

cos 1 =

Pmec n 3 Uligne n I ligne n

Remarque: En cas de coupure du rseau par dfaut (voir chapitre 7.4.3), les condensateurs doivent aussi tre dclenchs.L1 Cphase L2 L3 N

3

I2 1

Figure 4.13 : Schma global sans rglage de dbit (cas dune machine asynchrone) avec compensation 1 = Turbine; 2 = Disjoncteur de connexion au rseau; 3 = Contacteur d'enclenchement des condensateurs

67

4. Exploitation des gnrateurs

Exemple : Plaque dun moteur : 2200 W - 380 V toile - 5 A - 50 Hz - cos 1 = 0,85 Les rsultats de mesure dun fonctionnement vide en moteur sont: Pelo = 220 W - 380 V toile - cos 0 = 0,11 Fonctionnement en gnrateur Sous charge nominale: Pel = 2200 W - 380 V toile - 50 Hz - cos 1 = 0,67 Calcul de la capacit pour compenser le cos 1 sous charge nominale :

Cphase =

2200 1,11 = 53,5 10 6 F = 53,5 F 3 2 50 2202

La puissance ractive totale fournie par la batterie de condensateurs de 53,5 F par phase est de : QCtot = 3 C Uph2 = 2440 var

En fonctionnement vide (sans change de puissance active avec le rseau), la puissance ractive ncessaire magntiser la machine asynchrone est de : Qo = Pelo tg o = 220 9,04 = 1988 varEn gardant la mme valeur de capacit (53,5 F) quen fonctionnement en gnrateur charge nominale, il y a un surplus de puissance ractive de 452 var (2440 1988) qui est donc fourni par la batterie de condensateurs au rseau interconnect.

4.3.4

Mise en marche

a) Machine synchrone Les 4 conditions de mise en parallle dune gnratrice synchrone sur un rseau interconnect sont : mmes sens du champ tournant ; mmes frquences ; mmes tensions ; phase nulle entre les 2 systmes triphass de tensions.

68

4. Exploitation des gnrateurs

Les oprations pour satisfaire ces conditions sont les suivantes (gures 4.11 et 4.12) :

Dmarrer le groupe au moyen de la turbine demanire atteindre la vitesse synchrone.

Alimenter le bobinage rotorique de la machinesynchrone (excitation), au moyen dune source variable courant continu, jusqu obtenir la tension nominale aux bornes du stator.

Vrier, au moyen dun appareil adquat, que lesens du champ tournant de la machine synchrone est le mme que celui du rseau.

Ajuster la frquence et la tension de la machinesynchrone pour quelles soient les mmes que celles du rseau.

Lorsque les 2 systmes triphass de tension durseau et de la machine synchrone sont en phase, enclencher le disjoncteur I (ou le contacteur). Les oprations de mise en charge sont les suivantes :

Pour augmenter la charge active fournie aurseau, augmenter le dbit deau dans la turbine.

Pour changer la puissance ractive, ou le facteurde puissance cos , varier le courant dexcitation dans le bobinage du rotor de la machine synchrone.

b) Machine asynchrone La mise en marche de la gnratrice asynchrone est plus simple que pour la machine synchrone (gure 4.13).

Dmarrer le groupe au moyen de la turbine demanire atteindre approximativement la vitesse synchrone.

Enclencher le disjoncteur I (ou le contacteur) permettant dinterconnecter la gnratrice asynchrone et le rseau. Une pointe de courant (environ 5 fois le courant nominal) apparatra au moment de lenclenchement. La machine asynchrone est capable de supporter cette surintensit temporaire. Cependant, les protections doivent tre prvues en consquence.

69

4. Exploitation des gnrateurs

Enclencher la batterie de condensateurs, sil y acompensation du facteur de puissance.Caractristiques gnratrice synchrone en rseau isol

Pour augmenter la charge active fournie aurseau, augmenter le dbit deau dans la turbine. N.B. Lchange de puissance ractive avec le rseau dpend de la valeur des capacits de la batterie de condensateurs (cf. Exemple sous 4.3.3b).

4.4

Fonctionnement en rseau isol

On appelle rseau isol :Is = k Pel

Figure 4.14 : Variation U (Is) f = cte et cos = 1 pour diffrents courants dexcitation

le cas dune station de production qui fournit de lnergie lectrique un ou plusieurs consommateurs, la centrale pouvant comporter 2 gnrateurs par exemple ; ou le cas de 2 stations de production qui fournissent en parallle de lnergie lectrique plusieurs consommateurs. Dans le cas dun rseau isol, les tension et frquence dlivres varient en fonction de la charge : U cte et f cte

Caractristiques gnratrice asynchrone en rseau isol

4.4.1

Caractristiques

a) Machine synchrone Caractristiques externesreprsentant la variation de la tension en fonction de la charge (ou du courant stator) frquence constante: courant d'excitation constant pour difffents cos (gure 3.29); pour diffrents courants d'excitation et diffrents cos (gure 4.14).Pel

Vitesse en fonction de la charge : dpend de la caractristique de la turbine.

Figure 4.15 : Variation U (P) pour 2 condensateurs de capacit Co et CN

70

4. Exploitation des gnrateurs

b) Machine asynchrone Tension en fonction de la charge (ou du courant du stator) pour une frquence constante et pour diffrentes valeurs de capacits (gure 4.15). A titre dexemples : la gure 4.16 montre les caractristiques U (P) et I (P), mesures frquence constante, pour une machine de 3 kW ; la gure 4.17 montre la forme de U (P) dbit constant avec une caractristique de turbine dtermine. Vitesse en fonction du couple mcanique pour garder une frquence constante (gure 3.36).I/In 1,2 U (75 F) 1,0 U (56 F) 0.8 I (75 F) domaine instable I (85 F) U (85 F) U/Un

0.6 I (56 F) 0.4

4.4.2

Rglage de la frquence0.2

La valeur mesurer est la frquence avec pour consigne la frquence nominale. La frquence peut se mesurer : par la frquence de la tension de lalternateur ; ou par une machine auxiliaire donnant une tension proportionnelle la frquence (uniquement dans le cas d'une gnratrice synchrone). Pour les 2 types de machines, le rglage de la frquence, cest--dire de la vitesse de rotation, se fait par le rglage du dbit deau dans la turbine en fonction de la charge. Dans les cas o le dbit n'est pas rgl, il faut alors prvoir une charge ballast (voir paragraphe 4.4.4).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Pel/Pn

Figure 4.16 : Variations U (P) et I (P) Exemple dune machine asynchrone de 3 kW

U/Un 2

a) Machines synchrones Maintenir la vitesse constante gale la vitesse synchrone. b) Machines asynchrones Il faudrait varier la vitesse (au-dessus de la vitesse du synchronisme). En pratique, on peut obtenir une frquence plus ou moins constante ( 5%) par le maintien d'une tension constante.1

1

Pel /Pn

Figure 4.17 : Variation U (P) pour une caractristique de turbine o, puissance nulle, la vitesse est gale 2 fois la vitesse nominale

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4. Exploitation des gnrateurs

4.4.3

Rglage de la tension

La valeur mesurer est la tension aux bornes du (des) consommateur (s) avec pour consigne la tension nominale. a) Machine synchrone Se fait par le rglage du courant dexcitation par l'intermdiaire d'un rgulateur de tension. b) Machine asynchrone Devrait se faire en variant les condensateurs dexcitation en fonction de la charge. Cependant, ceci tant impossible un cot raisonnable, il faut choisir une capacit moyenne de manire ce que les variations de tension ne dpassent pas les limites de 10%.

4.4.4Padaptative = Peln - Pconsommateurs P Peln Padaptative Pconsommateurs

Charge ballast

Dans le cas o le dbit deau n'est pas rgl, il faut prvoir une charge ballast (ou adaptative) correspondant la puissance lectrique nominale. La rsistance ballast est connecte en parallle avec le consommateur. La puissance totale fournie par la gnratrice est (gure 4.18) :Temps

Peln = Pballast + Pconsommateur Cette puissance ne doit pas dpasser la puissance nominale de la gnratrice. Si Pconsommateur = 0, alors : Pballast = Peln Si Pconsommateur = Peln, alors : Pballast = 0 Si Pconsommateur > Peln, alors: il faut dclencher le groupe. Si f ou U baissent, cest que la puissance demande par les consommateurs est plus leve que la puissance nominale. Il faut alors diminuer la charge ballast.

Figure 4.18 : Principe de la charge ballast (ou adaptative)

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4. Exploitation des gnrateurs

Il faut donc prvoir un rgulateur de la charge ballast qui surveille soit la frquence, soit la tension aux bornes du consommateur. Pour autant que le cos de la charge ne varie pas, ce systme permet dviter : pour la gnratrice synchrone, un rgulateur de tension ; pour la gnratrice asynchrone, le rglage des capacits. Exemple de calcul dune rsistance ballast Cas de la machine de lexemple 4.3.3.b. La puissance active lectrique nominale est de: 2200 W - 50 Hz - 220 V (tension de phase) La rsistance ballast est calcule comme suit :2 Uph 3 2202 = = 66 / phase Pel n 2200 3

RBphase =

Le courant qui traversera cette rsistance sera :

I RB =

Uph 220 = = 3,33 A RB 66

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4. Exploitation des gnrateurs

4.4.5

Cas particulier dun moteur asynchrone triphas utilis en gnratrice pour un rseau monophas

Moyennant certaines conditions, un moteur asynchrone triphas industriel peut tre utilis en gnratrice monophase. En effet, pour viter une dissymtrie trop importante entre les 3 phases de la machine, il faut en particulier prendre garde au calcul et aux connexions correctes des capacits (gure 4.19). La capacit C1 se calcule comme suit :

C1 =

3 3 Rch

et la capacit C2 = 2 C1 avec =2f Rch : rsistance de charge correspondant la puissance lectrique nominale

C1

~ 220 V.

C2

Charge adaptative

Figure 4.19 : Gnratrice asynchrone triphase utilise en monophas avec charge ballast

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4. Exploitation des gnrateurs

4.4.6

Mise en marche

a) Machine synchrone (gure 4.20)

Dmarrer le groupe au moyen de la turbine demanire atteindre la vitesse synchrone. La vitesse sera maintenue constante par le rgulateur de frquence.

Alimenter le bobinage du rotor, par une sourcevariable courant continu, de manire atteindre la tension nominale aux bornes du