Source: https://www.scribd.com/doc/214628626/Generateurs-et-installations-electriques
Timestamp: 2018-01-17 13:51:24+00:00
Document Index: 314631472

Matched Legal Cases: ['§ 2', '§ 2', '§ 3', 'arrêt ', '§ 6', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'art. 113', 'art.5']

724.247.2 f
Générateurs et installations électriques De l’électricité grâce aux petites centrales hydrauliques – une énergie propre qui préserve l’environnement ! Il existe en Suisse un potentiel important dans le domaine des petites centrales hydrauliques qui pourrait s’avérer ﬁnancièrement intéressant pour de nombreuses communes, collectivités et industries. Ce mode de production a malheureusement été négligé ces dernières décennies, la priorité ayant été donnée aux grandes centrales au ﬁl de l’eau ou à accumulation dans les Alpes. Par le Programme d’action énergies renouvelables (PACER) de l’Ofﬁce fédéral des questions conjoncturelles, la Confédération a décidé d’intervenir pour inciter les propriétaires de droits d’eau, communes, administrations cantonales, ingénieurs, industriels et entrepreneurs à s’intéresser à cette forme de production d’énergie et à réaliser des installations. L’objectif est la promotion des technologies éprouvées des petites centrales hydrauliques (PCH) par une information objective et complète sur le sujet ainsi que la formation d’ingénieurs et de techniciens. La brochure « Générateurs et installations électriques » fait partie d’un ensemble de quatre publications techniques concernant la conception et la réalisation de petites centrales hydrauliques : • « Turbines hydrauliques » • « Générateurs et installations électriques » • « Régulation et sécurité d’exploitation » • « Le choix, le dimensionnement et les essais de réception d’une miniturbine »
Conçue comme document et en même temps comme outil pratique, elle est destinée à aider les ingénieurs et techniciens non spécialisés qui sont concernés, dans le cadre de leur activité professionnelle, par la conception et la réalisation d’une petite centrale hydraulique. Les générateurs et les installations électriques des petites centrales hydrauliques sont présentés du point de vue technique, le texte étant illustré par de nombreuses ﬁgures et accompagné d’exercices. La brochure contient les informations suivantes : – présentation du système PTDU (production – transport – distribution – utilisation) ; – principes fondamentaux de l’électricité ; – description et fonctionnement des générateurs synchrones et asynchrones ; – exploitation des générateurs en parallèle sur un réseau interconnecté et en réseau isolé. Surveillance et contrôle ; – critères de comparaison entre les générateurs synchrones et asynchrones pour un choix optimal ; – établissement d’un cahier des charges d’un générateur ; – protection et sécurité des installations.
ISBN 3-905232-55-3 1995, 120 pages N° de commande 724.247.2 f
Programme d'action PACER – Energies renouvelables Ofﬁce fédéral des questions conjoncturelles
Fontanezier Associations de soutien Les organisations suivantes recommandent et soutiennent la participation aux journées PACER « Petites centrales hydrauliques ». Reproduction d'extraits autorisée avec indication de la source. 1400 Yverdon Correcteur • J. 1015 Lausanne • J. Scheder. ingénieur EPFL/SIA. 724. 3003 Berne. ingénieur ETS. ingénieur EPFL. 1015 Lausanne Chapitre 6 • J. Dos Ghali. Richardet. 1450 Ste-Croix Chapitre 7 • Ed. Schopfer.-M. ingénieur EPFL. Case postale 12.-C. 1020 Renens Mise en pages. ACS ADER Association des communes suisses Association pour le développement des énergies renouvelables Association des usiniers romands Association romande pour la protection des eaux et de l’air Société pour les techniques de l’énergie de l’ASE Association suisse des professionnels de l’épuration des eaux Centre de conseils Ofﬁce d’électricité de la Suisse romande Association des professionnels romands de l’énergie solaire Société suisse des ingénieurs et des architectes Société des meuniers de la Suisse romande Société suisse de l’industrie du gaz et des eaux Union des centrales suisses d’électricité Union technique suisse Union des villes suisses ADUR ARPEA ASE / ETG ASPEE INFOENERGIE OFEL PROMES SIA SMSR SSIGE UCS UTS UVS ISBN 3-905232-55-3 Copyright © Ofﬁce fédéral des questions conjoncturelles.2 f). Ludwig. Inspection fédérale des installations à courant fort. 1000 Lausanne Relecture technique du manuscrit • F.Générateurs et installations électriques Conception. ingénieur civil EPFL-SIA. rédaction et réalisation de l'édition française Chapitres 1 à 5 • J. Diffusion: Coordination romande du programme d'action «Construction et Energies» EPFL-LESO.2 f 08. ingénieur EPFL. Heer. ingénieur ETS.-P. 1038 Bercher Graphisme de la couverture • Isabelle Schaaf Graphic Design.95 1000 . août 1995. photocomposition et ﬂashage • DAC. 1006 Lausanne et • CITY COMP SA.247. 1450 Ste-Croix • D. Graf. 1015 Lausanne (N° de commande 724. Chapallaz. Form.247. 1110 Morges Direction du projet et coordination • J.
Ce sont également les associations professionnelles qui prennent en charge l’organisation des cours et des autres activités. ainsi que les représentants de certaines branches spécialisées. en priorité. Ce bulletin peut être obtenu gratuitement sur simple demande. les ingénieurs et les autorités. qui paraît trois fois par an. Aussi le programme PACER a-t-il été mis sur pied aﬁn de remédier à cette situation. architectes. – à apporter les connaissances nécessaires aux ingénieurs. de M. Le bulletin « Construction et Energie ». – à proposer une approche économique nouvelle qui prenne en compte les coûts externes . manifestations. Chaque participant à un cours ou autre manifestation du programme reçoit une publication spécialement élaborée à cet effet. elle se compose du Dr Jean-Bernard Gay. ceux-ci appartiennent au secteur privé. des cours et d’autres manifestations. Ils doivent favoriser une croissance économique qualitative et. les écoles et la Confédération. des écoles et des branches professionnelles concernées. Case postale 12. en constituent le public cible. Les générateurs et les installations électriques des petites centrales hydrauliques sont présentées du .Générateurs et installations électriques Avant-propos D’une durée totale de 6 ans (1990-1995). Le programme PACER se consacre. ainsi que les maîtres de l’ouvrage. avec pour corollaire un plus large recours au savoir-faire et à la matière grise. Documentation La brochure «Générateurs et installations électriques» fait partie d’un ensemble de quatre publications techniques concernant les petites centrales hydrauliques: • «Turbines hydrauliques» • «Générateurs et installations électriques» • «Régulation et sécurité d’exploitation» • «Le choix. fournit tous les détails sur ces activités. Toutes ces publications peuvent également être obtenues en s’adressant directement à la Coordination romande du programme d’action « Construction et Energie » EPFL-LESO. vidéos. Elle vise les maîtres de l’ouvrage. à la formation continue et à l’information. etc. Jusqu’ici. Cours. par la conception et la réalisation d’une petite centrale hydraulique. par là. La diffusion plus large d’informations plus générales est également un élément important du programme. elle est destinée à aider les ingénieurs et techniciens non spécialisés qui sont concernés. aux architectes et aux installateurs . publications. le dimensionnement et les essais de réception d’une miniturbine» Conçue comme document et en même temps comme outil pratique. les architectes. conduire à une plus faible utilisation des matières premières et de l’énergie. installateurs. Il s’appuie essentiellement sur des publications. il a été fait appel à des spécialistes des divers domaines concernés . – à informer les autorités. La préparation des différentes activités se fait au travers de groupes de travail. Le transfert de connaissances est basé sur les besoins de la pratique. le Programme d’action « Construction et Energie » se compose des trois programmes d’impulsions suivants : PI BAT – Entretien et rénovation des constructions RAVEL – Utilisation rationnelle de l’électricité PACER – Energies renouvelables Ces trois programmes d’impulsions sont réalisés en étroite collaboration avec l’économie privée. Ces spécialistes sont épaulés par une commission qui comprend des représentants des associations. aux écoles ou aux associations professionnelles. Pour la préparation de ces activités une direction de programme a été mise en place . du Dr Arthur Wellinger ainsi que de Mme Irène Wuillemin et de M. 1015 Lausanne. Jean Graf. ceux-ci sont responsables du contenu de même que du maintien des délais et des budgets. Les ingénieurs. Eric Mosimann de l’OFQC. dans le cadre de leur activité professionnelle. du Dr Charles Filleux. Compétences Aﬁn de maîtriser cet ambitieux programme de formation. si l’on fait abstraction du potentiel hydroélectrique. la contribution des énergies renouvelables à notre bilan énergétique est négligeable. Dans ce but le programme cherche : – à favoriser les applications dont le rapport prix / performance est le plus intéressant .
il a également été soumis à l’appréciation des participants au premier cours pilote. Ceci a permis aux auteurs d’effectuer les modiﬁcations nécessaires. – principes fondamentaux de l’électricité . – protection et sécurité des installations. ceux-ci étant toutefois libres de décider des corrections qu’ils souhaitaient apporter à leur texte. – critères de comparaison entre les générateurs synchrones et asynchrones pour un choix optimal . – description et fonctionnement des générateurs synchrones et asynchrones . La brochure contient les informations suivantes : – présentation du système PTDU (production – transport – distribution – utilisation) . Le présent document a fait l’objet d’une procédure de consultation. Dans ce sens ils assurent l’entière responsabilité de leurs textes.Générateurs et installations électriques point de vue technique. Des améliorations sont encore possibles et des suggestions éventuelles peuvent être adressées soit au directeur du cours. le texte étant illustré par de nombreuses ﬁgures et accompagné d’exercices. soit directement auprès de l’Ofﬁce fédéral des questions conjoncturelles. Ofﬁce fédéral des questions conjoncturelles Service de la technologie Dr B. – établissement d’un cahier des charges d’un générateur . Pour terminer nous tenons à remercier toutes les personnes qui ont contribué à la réalisation de la présente publication. Surveillance et contrôle . – exploitation des générateurs en parallèle sur un réseau interconnecté et en réseau isolé. Hotz-Hart Vice-directeur .
4 4. 6.3 2. 4.2 7.Générateurs et installations électriques Table des matières 1.4 7.2 3.3 7. 4.3.3 6.4 7.2.2 5.1. 5.5.3 3.1 5.1 6. 2.2 2.4 2. 4.1 2.1 3.5 3. 5. 3. 7.1 7. 4.5 Système PTDU Principes fondamentaux de l'électrotechnique Circuit électrique Paramètres Utilisation du courant alternatif Caractéristiques d’un réseau alternatif Caractéristiques des utilisateurs Générateurs Déﬁnitions Introduction Machine synchrone Machine asynchrone triphasée Exploitation des générateurs Plaques signalétiques Bornier – Couplage Fonctionnement en réseau interconnecté Fonctionnement en réseau isolé Anomalies et contrôles Comparaison entre les générateurs synchrone et asynchrone Qualité de l'énergie électrique Critères techniques de comparaison Comparaison des coûts à l'investissement Informations concernant le cahier des charges d'un générateur Introduction Informations à soumettre au fournisseur Documents/informations à recevoir avec l'offre Vériﬁcation des performances Protection et sécurité des installations Bases légales Dangers de l'électricité Protection des installations Protection des machines tournantes Obligations juridiques Bibliographie Liste des publications et vidéos du programme d’action 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 .4 4. 2.2 6.3 6.
il faut que les personnes et le matériel soient protégés. chauffage Résistances + inductances. Système PTDU Un schéma de principe d’un système de Production – Transport – Distribution – Utilisation (PTDU) est représenté à la ﬁgure 1.1. transformateurs A tous les niveaux du système PTDU. • Protections Surcharge – court-circuit – mise à 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 hydroélectrique Di str ibu tio n Consommateur Centrale hydroélectrique de grande puissance neuve Transformateur Figure 1. cuisson. cos ϕ < 1 moteurs.1: Schéma de principe d'un système PTDU 7 . Composants du système • Production synchrone Turbine + Générateur asynchrone Réglage: fréquence – tension – cos ϕ • Transport Transformateur élévateur [pas pour des petites centrales] Ligne Transformateur abaisseur [pas pour des petites centrales] • Distribution Sous-station et / ou Système de distribution aux consommateurs • Utilisateurs Résistances pures. Système PTDU 1.1. cos ϕ = 1 éclairage.
11 2.2.4 2.4 2.2 2.2 2.3 2.3.2.2.2 2.4.2 2.2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2.1 2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2.3 2.2 2.1 2.5 Circuit électrique Paramètres Tension Courant Fréquence Facteur de puissance cos ϕ Puissance active Puissance réactive Puissance apparente Energie Résistance Condensateur Inductance Utilisation du courant alternatif Avantages du courant alternatif Généralités et avantages du courant triphasé Génération d’un système triphasé Couplages Couplage étoile Couplage triangle Caractéristiques d’un réseau alternatif Caractéristiques des utilisateurs Circuit résistif pur Circuit inductif pur Circuit capacitif pur Combinaisons de circuits Impédance 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 .5 2.5.3.3 2.3.3 2.2.5.2.2.5.6 2.4 2.2.5.3.5 2.1 2.5.2.3.2.1 2.7 2.2.4 2.9 2.4.8 2.2.3.10 2.1 2.
informations…).2 2. 2. le conducteur. On peut faire l’analogie entre circuit électrique et circuit hydraulique (ﬁgure 2.1 Paramètres Tension Les électrons dans un conducteur ne peuvent se déplacer que s’il y a une différence de « pression électrique ».1). la charge.2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2.1). Cette pression électrique est appelée tension et se mesure en volts [V]. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2.1 Circuit électrique Un déplacement d’électrons dans un conducteur crée un courant électrique. Les 3 parties d’un circuit électrique sont : la source. La tension est semblable à la différence de pression ∆p en hydraulique (ﬁgure2. mouvement mécanique.2. L’énergie qui en résulte peut être convertie par des utilisateurs (chaleur.1: Analogie circuit électrique – circuit hydraulique 11 . I Source V A Q Différence de pression ∆p Lampe T Interrupteur Moteur Débitmètre Turbine Figure 2.
Lorsque le mouvement de charges est toujours dans le même sens. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2. Ce mouvement.2).1) . Si ce mouvement alterne d’un sens à un autre.2 Courant S’il y a une tension entre 2 points d’un circuit électrique. il se mesure en ampères [A].2. appelé courant. la tension s’appelle tension continue. En régime alternatif. le courant s’appelle courant continu.3 : Comparaison de signaux continu – alternatif 12 . on parle de courant alternatif et de tension alternative (ﬁgure 2. De même. On déﬁnit : – la valeur de crête Û et Î .3). un mouvement de charges (électrons) va se créer pour compenser cette différence.2 : Circuit hydraulique alternatif Valeur efﬁcace = 10A Thermomètre Ce courant alternatif produit le même effet thermique que ce courant continu Fer à souder Figure 2. – la valeur efﬁcace : Ueff = Û /√2 et Ieff = Î / √2. est comparable au débit hydraulique (ﬁgure 2. la valeur moyenne est nulle (ﬁgure 2.2. Figure 2.
seules les grandeurs Û. et ϕ peuvent se modiﬁer. Le cycle (ou la période) T correspond à une durée de 20 ms. c’est l’angle ϕ.4 : Signal alternatif Figure 2.6). Alternance positive Alternance négative Période Figure 2. On peut les représenter plus simplement sur un diagramme appelé phaseur (ﬁgure 2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2.5: Déphasage ϕ entre U et I Figure 2. Il est indépendant du temps. La fréquence 50 Hz correspond à 50 cycles par seconde. Plus généralement. Temps 2.4). Si la fréquence au cours du temps ne varie pas (f = constante). ce retard reste constant.2.2.3 Fréquence Radians Degrés Le nombre de cycles complets en 1 seconde est appelé fréquence. Sans modiﬁcation du réseau ou de l’utilisateur.4 Facteur de puissance cos ϕ Certains utilisateurs électriques peuvent créer un retard entre la tension et le courant.2. Elle se mesure en hertz [Hz] (ﬁgure 2. L’instant où le courant est maximum ne correspond pas nécessairement au maximum de tension (ﬁgure 2.5). On lui associe presque toujours son cosinus. il est exprimé en degré en admettant que la période T représente 360°. Î.6: Phaseur 13 . Il peut s’exprimer en valeur relative (∆T / T).
2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2. Elle s’exprime par : E=P·t· [J] L’unité de l’énergie est le joule qui correspond à une puissance de 1 W pendant 1 s 1J=1W·1s L’unité utilisée pour l’énergie électrique est le [kWh] 1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3600 kJ 14 . chimique (électrolyse).7): Q = U · I · sin ϕ Q=O (alternatif) (continu) [var] [var] 2.2.7: Représentation de la puissance Puissance réactive La puissance réactive est une puissance nécessaire à la création du champ magnétique dans des inductances ou du champ électrique dans des capacités (ﬁgure 2.5 S nte are p p a nce ssa i u P Puissance réactive Q Puissance active Puissance active P Travailleur Chemin La puissance active est la puissance qui participe à la transformation effective. mécanique (rotation). Cette puissance intéresse l’utilisateur .7 Puissance apparente La puissance apparente est une puissance qui transite dans la ligne (ﬁgure 2.7) S=U·I S=U·I S = (P2 + Q2)1 /2 (alternatif) (continu) [VA] [VA] 2.2. Elle est donnée par (ﬁgure 2.7) : P = U · I · cos ϕ P=U·I (alternatif) (continu) [W] [W] de Cor Rail Wagon 2.2.6 Figure 2. elle sera convertie en puissance utile.2. soit thermique (chaleur).8 Energie L’énergie active est le produit d’une puissance active et d’une durée (temps).
chauffe-eau. la résistivité pour le cuivre et l’aluminium varie selon la loi (ﬁgure 2.9 Résistance Symbole : R Unité : OHM (Ω) Comme les pertes par frottements dans un circuit hydraulique. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2. La puissance dissipée peut s’exprimer par : P=U·I Or.2.8 : Résistivité en fonction de la température 15 . fer à souder). donc P = R · I2 ou P = U2 / R Ces pertes sont appelées pertes joules et provoquent un échauffement. U = RI.8) : Résistivité ρT = ρTo ⋅ 1 + T – To 235 + To Température Résistivité du cuivre à 20°C : 0.0175 Ω · mm2 / m Résistivité de l’aluminium à 20°C : 0. Cette propriété est nommée résistance R : R=ρ⋅ l A Ω où l = longueur (m) A = section du conducteur (mm2) ρ = résistivité qui dépend du matériau et de la température Ω ⋅ mm2 m La chute de tension dans la résistance est donnée par la loi d’Ohm : U=R·I L’énergie perdue dans la résistance se transforme en chaleur (radiateur. Leur résistivité varie linéairement avec la température.03 Ω · mm2 / m Figure 2. Les matériaux utilisés dans les machines électriques sont essentiellement le cuivre et l’aluminium. le conducteur oppose une résistance au courant électrique. Lorsque la température passe d’une valeur initiale To à une valeur ﬁnale T.2.
Un condensateur de 1 farad a une capacité telle que s’il est chargé avec 1 ampère pendant 1 seconde. La capacité C du condensateur est le rapport entre la charge Q et la tension appliquée U : Haute tension C=Q U (F) F= A⋅s V Figure 2. Les deux plaques constituent un condensateur élémentaire (ﬁgure 2. pour une tension de 1 volt appliquée pendant 1 seconde. Principes fondamentaux de l'électrotechnique De la même manière.11 Inductance Symbole : L Unité: HENRY (H) L’inductance L d’une bobine est le facteur de proportionnalité entre le ﬂux magnétique et le courant qui lui est associé : L= Φ I (H) H= V⋅s A L’unité de l’inductance est le henry. Lorsqu’on applique une tension continue entre ces deux plaques. Ces deux éléments peuvent être 16 . self d’amorçage de néon) telle que.9 : Capacité élémentaire Dans la pratique les condensateurs utilisés ont des capacités très petites. puisque la résistance R est proportionnelle à la résistivité ρ : RT = RTo ⋅ 1 + T – To 235 + To 2. C’est pourquoi l’unité utilisée est le microfarad (µF) ou le picofarad (pF). La bobine possède une résistance R et une inductance propre L. sa tension croît de 1 volt.10 Condensateur Symbole : C Unité : FARAD (F) Force d'attraction Soient deux plaques métalliques placées face à face.2. 2. le courant varie de 1 ampère. C’est la valeur d’une bobine (relais.2. il apparaît une accumulation de charges électriques positives sur l’une des plaques et négatives sur l’autre.2.9).
uL La tension uR aux bornes de la résistance est nulle au premier instant et augmente de façon exponentielle pour atteindre la valeur U0.10 : Schéma d’un circuit inductif uL uR τ= L R (s) La tension uL aux bornes de l’inductance a la valeur U0 au premier instant. Lors de l’enclenchement d’une source de tension continue U0 sur un circuit composé d’une résistance R et d’une inductance L en série (ﬁgure 2.11) avec une constante de temps τ déﬁnie par : Figure 2. le courant met un certain temps à atteindre la valeur régie par la loi d’Ohm : I = U0 / R Le courant i s’établit selon une loi exponentielle (ﬁgure 2. 17 .10). Une bobine d’inductance peut être alimentée en courant continu ou en courant alternatif. La tension totale aux bornes de la bobine est de la forme : U = R ⋅ I + L ⋅ ∆I ∆t Une bobine d’inductance L tend à s’opposer à une variation du courant qui la traverse. c’est-à-dire que sa résistance est nulle. Principes fondamentaux de l'électrotechnique considérés en série. L’inductance L emmagasine une énergie magnétique W : uR W = 1 ⋅ L ⋅ I2 2 Figure 2. puis elle décroît de façon exponentielle jusqu’à 0 avec la même constante de temps τ. alors elle représente un court-circuit en courant continu.2. Si l’inductance est idéale.11 : Etablissement du courant et des tensions dans un circuit inductif (J) Cette énergie n’est pas transformée en chaleur.
12. Par rapport au monophasé. Pour des puissances plus élevées. Il permet de générer facilement un champ tournant qui sera ensuite exploité dans des moteurs.3 Utilisation du courant alternatif Avantages du courant alternatif 2. 18 . 2. – transformation facile . les réseaux sont triphasés. le système triphasé permet d’avoir des appareils de dimensions plus réduites. – moteurs et générateurs alternatifs plus faciles à construire .2 Généralités et avantages du courant triphasé La production et la distribution en monophasé n’est valable que dans le cas de petites puissances (< 5 kW).2. – éléments d’enclenchement et de coupure plus simples. 2.3.3 Génération d’un système triphasé UW1W2 Représentation vectorielle UV1V2 Figure 2.12 : Déphasage entre les 3 tensions triphasées Un système triphasé de courants (ou de tensions) est en fait le résultat de 3 courants (ou de 3 tensions) monophasés qui sont déphasés les uns par rapport aux autres de 120° (ou 2π/3 radian) selon la ﬁgure 2.3. Il est donc plus économique.3. 120° Uu1u2 Le transport d’énergie par lignes triphasées est plus économique en matériaux qu’une ligne monophasée ou continue.1 Le courant alternatif présente certains avantages par rapport au courant continu : – faible coût de transport . Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2.
Uv1N .…) ou les phases d’une charge triphasée : Iu1 . Les ﬁgures 2.Uw1u1 ou UL1L2 . moteurs. Uw1w2 Figure 2.4 Couplages Figure 2.14 : Les 3 tensions générées par l’alternateur 19 . – le couplage triangle. les moteurs et les charges triphasées sont : – le couplage étoile .Uw1N ou UL1N .Uw1w2 W1 Tête de bobine – Tensions simples Ce sont les tensions entre les entrées des bobines et le point neutre : Uu1N .UL2L3 . – U1 V2 W2 Tensions de phase Ce sont les tensions aux bornes des bobines : Uu1u2 .13 et 2.UL2N .Uv1v2 . pour avoir un tel système.13 : Alternateur triphasé 1 période Uu1u2 Uv1v2 Les couplages les plus utilisés pour les générateurs.Iw1 – Courants de ligne Ce sont les courants qui traversent les connexions entre le réseau et la charge: Iligne 2.UL3N V1 U2 – Tensions de ligne ou tensions composées Ce sont les tensions entre deux entrées de bobine ou entre deux lignes du réseau (ou de la charge): Uu1v1 .Uv1w1 .UL3L1 – Courants de phase Ce sont les courants qui traversent les bobinages (générateurs. Il est important de connaître dans ces deux couplages : – les relations entre tensions simples et composées .14 représentent une telle machine ainsi que les 3 sinusoïdes engendrées par la rotation du rotor dans le stator. Principes fondamentaux de l'électrotechnique Il sufﬁt donc.Iv1 . – les relations entre courants de phase et de ligne. – les expressions des puissances.2.3. de considérer une machine bipolaire composée d’un rotor à 2 pôles (N / S) et d’un stator comprenant 3 bobines déphasées l’une par rapport à l’autre de 120°.
V2 . Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2. U2 U2 V2 W2 V1 Iv1 IL2 Iw1 IL3 W1 Figure 2.3. le point neutre peut être accessible (ﬁgure 2.15 : Couplage étoile – Tensions UL1L2 = UU1V1 = √3 . on peut écrire : pour la puissance apparente : S = 3 · Uphase · Iphase (VA) De même pour la puissance active.1 Couplage étoile Symbole : Y Le couplage étoile est obtenu en reliant les unes aux autres les sorties des trois phases U2 .2.15).4. IL1 L1 UL1L2 UL1L3 UL2L3 IU1 U1 IV1 V1 IL3 IW1 N W1 IL1 U1 IL2 L2 IU1 L3 UU1V1 = UL1L2 120° N UU1N = UU1U2 UU1. on a : P = 3 · Uphase · Iphase · cos ϕ (W) et pour la puissance réactive : Q = 3 · Uphase · Iphase · sin ϕ (var) 20 .W2. Avec le couplage étoile. UU1U2 – Courants Le courant de phase est égal au courant de ligne : IL1 = IU1 IL2 = Iv1 IL3 = Iw1 – Puissances Puisqu’un système triphasé est équivalent à trois systèmes monophasés.
16).5) L’impédance Uphase Z phase = I phase devient. on a : P = √3 · Uligne · Iligne · cos ϕ (W) et pour la puissance réactive : Q = √3 · Uligne · Iligne · sin ϕ (var) – Impédance (voir § 2.2 Couplage triangle Symbole : ∆ Le couplage triangle est obtenu en reliant la sortie de chaque phase U2 .2. à l’entrée de chaque phase consécutive (ﬁgure 2. – Tensions La tension de phase est égale à la tension de ligne : UU1U2 = UU1V1 = UL1L2 – Courants IL1 = √3 . IU1 21 . dans ce cas de couplage étoile : Z Yphase = Uligne 3 I ligne 2.5.V2 .4.3.W2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique En se référant aux relations de tensions où : Ucomposée Uphase = 3 et puisque le courant de phase est égal au courant de ligne : Iphase = Iligne alors : S =√3 · Uligne · Iligne (VA)) De même pour la puissance active.
Uphase · Iphase et en se référant aux relations de tensions et de courants pour ce couplage. – Impédance (voir § 2.5) L’impédance Z phase = Uphase I phase devient. pour avoir les mêmes valeurs de tension et de courant. dans ce cas de couplage triangle : Z ∆phase = Uligne I ligne 3 3 ⋅ Uligne I ligne Z ∆phase = En comparant avec ZYphase. Principes fondamentaux de l'électrotechnique – Puissances Partant de l’expression générale de la puissance apparente S = 3 . l’impédance de phase dans le couplage triangle est 3 fois plus grande que l’impédance correspondant au couplage étoile : Z∆ = 3 · ZY 22 . on trouve : S = √3 Uligne · Iligne (VA) Cette expression est identique à celle pour le couplage étoile.5.2.
Pour une ligne et une puissance de transfert données.2.50 Hz -10 kVA La tolérance sur la tension est de ± 10 %.16 : Couplage triangle 2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique IL1 L1 IL2 L2 IL3 L3 U1 IU1 V1 IV1 W1 IW1 IW1 V2 U2 W2 IV1 U2 V1 IL2 V2 IL3 W1 IU1 U1 IL1 W2 Figure 2. ce qui peut entraîner une tension trop élevée chez l’autoproducteurutilisateur. 3 x 400 V / 230 V . – la puissance de transfert. 23 . la production devra compenser la chute de tension dans la ligne. Une grandeur importante pour la production d’énergie par microcentrale est la chute de tension dans la ligne.4 Caractéristiques d’un réseau alternatif Un réseau électrique est caractérisé par : – le nombre de phases . – la tension U . Exemple : réseau triphasé. – la fréquence f .
Figure 2. d'où: cos ϕ = 1 et sin ϕ = 0 La ﬁgure 2.21).5.17.18 : Déphasage entre la tension et le courant pour un circuit résistif P = R ⋅ I2 = U R Figure 2. Le courant et la tension sont en phase (ﬁgure 2. Principes fondamentaux de l'électrotechnique I 2.1 Circuit résistif pur Figure 2.20 : Schéma d’alimentation d’une self ϕ = + π /2 d’où : cos ϕ = 0 et sin ϕ = + 1 24 . ϕ = 0. courant et puissance pour une résistance 2 (W) La puissance réactive est nulle: Q = U · I · sin ϕ = 0 puisque sin ϕ = 0 2.20.17 : Schéma d’alimentation d’une résistance U I ϕ = 0° Soit une résistance R alimentée par une tension efﬁcace U et traversée par un courant efﬁcace I selon la ﬁgure 2.5 Caractéristiques des utilisateurs U UR L’utilisateur est caractérisé par : – la tension U . de courant et de puissance. – le cos ϕ. ou + π /2 radians. Le courant et la tension sont déphasés de + 90°.19 représente les valeurs instantanées de tension. valable comme en courant continu : U = R · I (V) La puissance active. selon les déﬁnitions ci-dessus. – la fréquence f .19 : Courbes des tension.5.18).2 Circuit inductif pur I U UL Soit une bobine ayant une inductance L et qui est alimentée par une tension efﬁcace U selon le schéma de la ﬁgure 2. 2. La loi d’Ohm est. (ﬁgure 2. dans ce cas. – la puissance active P . est égale à : P = U · I · cos ϕ = U · I = S D’où : Figure 2.2.
On peut donc écrire : U = XL · I = ω · L · I (V) Si f = 0. Si f = ∞. Le courant est limité par ce qu’on appelle la réactance inductive. cette énergie magnétique est renvoyée à la source. On remarque que la tension est en avance sur le courant de π / 2. Figure 2. D’après la ﬁgure 2. C’est le cas en courant continu avec une inductance pure. P = U · I · cos ϕ = 0 Par contre. L’unité de la réactance est donc la même que celle de la résistance (Ω). Réactance inductive XL C’est la résistance en courant alternatif dans le cas d’une inductance. Principes fondamentaux de l'électrotechnique Les valeurs instantanées de tension. La puissance active est donc nulle. c’est-à-dire que la tension atteint sa valeur maximum (de crête) avant le courant.2. Pendant un quart de période. La réactance inductive est le produit de la pulsation ω par la valeur de la self L : XL = ω L = 2 π f · L (Ω) U I Figure 2.22. U = 0 et le circuit est en court-circuit.22.21 : Déphasage entre la tension et le courant pour une self où f est la fréquence de la tension et du courant. de courant et de puissance sont représentées sur la ﬁgure 2. on voit que la puissance instantanée ﬂuctue autour de la valeur moyenne nulle. I = 0 et le circuit est ouvert.22 : Courbes des tensions. courant et puissance pour une self 25 . il existe une puissance réactive : Q = U · I · sin ϕ = U · I (var) Q = XL · I2 = ω · L · I2 = U2 / XL (var) Une inductance absorbe de l’énergie réactive. elle est positive et l’énergie est emmagasinée sous forme d’énergie magnétique et pendant le quart de période suivant.
En courant alternatif. Figure 2. de courant et de puissance sont représentés sur la ﬁgure 2. pendant le quart de période suivant.25 : Courbes des tensions. Le courant est limité par ce qu’on appelle la réactance capacitive. U Uc Le courant et la tension sont déphasés de –90°. La réactance capacitive est l’inverse du produit de la pulsation ω par la valeur de la capacité C : ϕ = -90° Xc = U 1 = 1 ω⋅C 2⋅π⋅f⋅C (Ω) où f est la fréquence de la tension et du courant.3 I Circuit capacitif pur Soit un condensateur C alimenté par une tension efﬁcace U selon le schéma de la ﬁgure 2.24 : Déphasage entre la tension et le courant pour un circuit capacitif On peut donc écrire : Uc = X c ⋅ I = 1 ⋅I ω⋅C (V) Si f = ∞. C’est le cas en courant continu. On remarque que la tension est en retard sur le courant de π /2. elle est positive et l’énergie est emmagasinée sous forme d’énergie électrostatique et.23. Figure 2. c’est-à-dire que la tension atteint sa valeur maximum (de crête) après le courant. U = 0 et le circuit est en court-circuit. ou –π /2 radians (ﬁgure 2.23 : Schéma d’alimentation d’une capacité I Réactance capacitive XC C’est la résistance en courant alternatif dans le cas d’une capacité. Pendant un quart de période. courant et puissance pour une capacité 26 .25.25. cette énergie électrostatique est renvoyée à la source. le condensateur laisse passer le courant.24). Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2. Figure 2. on voit que la puissance instantanée ﬂuctue autour de la valeur moyenne nulle.5. ϕ = –π / 2 d’où : cos ϕ = 0 et sin ϕ = –1 Les valeurs instantanées de tension.2. Le condensateur bloque le courant. L’unité de la réactance est donc la même que celle de la résistance (Ω). Si f = 0. Ι = 0 et le circuit est ouvert. D’après la ﬁgure 2.
28) A Z AB = Z = U (voir par.26). Principes fondamentaux de l'électrotechnique La puissance active est donc nulle: P = U · I · cos ϕ = 0 (W) Par contre.7) déﬁni par : – la puissance apparente S = U · I – la puissance active P = U · I · cos ϕ – la puissance réactive Q = U · I · sin ϕ où ϕ est l’angle de déphasage entre le courant et la tension.5. on obtient un triangle de tension (ﬁgure 2.27 : Diagramme des tensions U= 2 2 UR + UX L En divisant les côtés de ce triangle une nouvelle fois par I. il existe une puissance réactive : Q = U · I · sin ϕ = U · I (var) Q = Xc ⋅ I2 = 1 ⋅ I2 ω⋅C I 2 Q = U = ω ⋅ C ⋅ U2 Xc UR Un condensateur fournit de l’énergie réactive.26 : Circuit composé d’une résistance et d’une self UL U UR I Figure 2. 2. On part du triangle des puissances (ﬁgure 2.4 Combinaisons de circuits UL Résistance et inductance en série (ﬁgure 2.5. U 2.27) : UR = U · cos ϕ UL = U · sin ϕ UR et I sont en phase U L et I sont déphasés de + 90° ou + π/2 radians Figure 2.2.5) I BC = R = Z cos ϕ = U cos ϕ I (Ω) B XL R C AC = X L = ωL = Z sin ϕ = U sin ϕ (Ω) (ω = 2πf) I Figure 2.28 : Diagramme des impédances 27 . En divisant chaque côté par le courant I. on obtient un triangle d’impédances (ﬁgure 2.
28 . Elle est composée d’un terme résistif R et d’un terme réactif X. Principes fondamentaux de l'électrotechnique 2.2. Z= R 2+ X 2 (Ω) N.5 Impédance Symbole : Z Unité : OHM (Ω) L’impédance Z d’un circuit alimenté par une tension et un courant alternatifs est donc le rapport entre les valeurs efﬁcaces de tension U et de courant I.B. L’inverse de l’impédance (1 / Z) est l’admittance Y dont l’unité est le siemens (S) = (1 / Ω).5.
6 3.2.3 3.1 3.2 3.2.8 Déﬁnitions Introduction Champ magnétique Flux magnétique Induction magnétique Création d’une force électromagnétique Tension induite Tension induite de mouvement ou de rotation Génératrice élémentaire Courants de Foucault Machine synchrone Généralités Principe Bilan des puissances – Rendement Symbole Tension induite dans les machines synchrones Caractéristiques en générateur Exercices Machine asynchrone triphasée Généralités Principe Symbole Couple électromagnétique Puissances et couple Caractéristiques Fonctionnement en génératrice 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 .3.4.5 3.1 3.3.4.3.3.3.4.4 3.3 3.2.2. Générateurs 3.4.2.4 3.3. Générateurs 3.5 3.6 3.3.4 3.1 3.4.7 3.3 3.3 3.5 3.4.2.6 3.4.1 3.4 3.7 3.4.2 3.2 3.7 3.2 3.2.3.
1 Introduction Champ magnétique (A / m) n ctio Dire -sud nord Symbole : H Unité : AMPÈRE PAR MÈTRE Soit un aimant permanent suspendu de façon à ce qu’il puisse s’orienter librement (ﬁgure 3. L’aimant permanent crée autour de lui un champ magnétique. – le bobinage au stator.2 3.1 : Aimant suspendu 31 .3. – l’extrémité de l’aimant qui s’oriente vers le sud géographique est désigné par « pôle sud ».1): – l’extrémité de l’aimant qui s’oriente vers le nord géographique est désigné par « pôle nord ». – le générateur asynchrone. Dans les deux cas : – la machine est composée d’un rotor et d’un stator. Il s’agit de l’énergie active. il y a lieu de choisir entre deux types de générateurs : – le générateur synchrone. est le siège d’une tension induite aux bornes de chaque phase. – un réseau isolé auquel le producteur doit garantir une tension ainsi qu’une fréquence qui doivent être toutes deux ﬁxes et stables dans une fourchette admissible pour les appareils du consommateur. en général triphasé.2.1 Déﬁnitions Un générateur électromécanique convertit l’énergie mécanique qu’il reçoit à son arbre (turbine) en énergie électrique distribuée au consommateur. 3. Le consommateur peut être : – le réseau interconnecté qui ﬁxe la tension et la fréquence . Dans les installations de production d’énergie électrique de petite dimension. Pôle sud Pôle nord Figure 3. Générateurs 3. Générateurs 3.
5 : Attraction S N N S Figure 3.2).3. – des pôles de nom contraire s’attirent (ﬁgure 3. on met en évidence l’existence de lignes de champ magnétique (spectre magnétique). S N S N S N S N Les lignes de champ sortent du pôle nord de l’aimant et y retournent par le pôle sud. Figure 3. La limaille de fer se concentre autour des pôles (ﬁgure 3. Elles se referment au travers de l’aimant (ﬁgure 3.2 : Lignes de champ N S N S N S Figure 3.5).3 : Création d’un champ par un aimant Figure 3.6 : Lignes de champ dans une pièce de fer 32 .4). – des pôles de même nom se repoussent (ﬁgure 3.3).6). Générateurs S N En saupoudrant de la limaille de fer autour de l’aimant. • Pièce de fer dans un champ magnétique La présence de fer dans un circuit magnétique déforme le champ : les lignes de champ se concentrent dans la pièce de fer (ﬁgure 3.4 : Répulsion Figure 3.
3 Induction magnétique (T) = (Wb / m2) A = 25 cm2 Symbole : B Unité : TESLA L’induction magnétique est le ﬂux par unité de surface de passage de ce ﬂux.7). Figure 3.0025 m2 Φ = 0. – du nombre de spires N .2.2 Flux magnétique (Wb) I N (tours) Symbole : Φ Unité : WEBER Soit une bobine de N spires (ﬁgure 3.8). Le sens des lignes de champ dépend du sens du courant (ﬁgure 3. Ligne de ﬂux N S 3.3. Un courant I traversant une bobine.0025 Wb B=1T Sur la ﬁgure 3.7 : Champ magnétique créé par un courant l (longueur) H= N⋅I l A m Le produit N · I est le « potentiel magnétique » ou « solénation » θ.9 : Si alors Figure 3. L’ensemble des lignes de champ est le ﬂux Φ.2. – de la longueur moyenne l des lignes de champ. Lorsque la bobine est parcourue par un courant I.8). constituée d’un nombre N de spires.9 : Exemple 33 . on crée des lignes de champ magnétique. Générateurs • Champ magnétique créé par un courant dans une bobine Un conducteur parcouru par un courant engendre un champ magnétique. C’est un électroaimant (ﬁgure 3. L’amplitude du champ H dépend de : – de l’amplitude du courant I . B=Φ A (T) A = 25 cm2 = 0.8 : Champ créé par une bobine 3. S N Sens du champ magnétique Figure 3. crée un champ magnétique.
12 : Force due à l’interaction d'un courant et d'un champ magnétique 34 . – au courant I circulant dans le conducteur . Une force F est alors exercée sur le conducteur créant un déplacement de celui-ci. – Deux conducteurs parcourus par des courants de sens contraire se repoussent (ﬁgure 3.11). La force est proportionnelle : – à l’induction moyenne B . Si le conducteur est perpendiculaire à l’induction B : F=B·I·l (N) ¡ ¡ F F Attraction Figure 3.12).10). Générateurs 3.4 Création d’une force électromagnétique • Interaction de 2 courants – Deux conducteurs parcourus par des courants de même sens s’attirent (ﬁgure 3.3.11 : Forces de répulsion créées par deux courants Figure 3.10 : Forces d’attraction créées par deux courants Sens de la force N ¡ F ¡ F S Champ magnétique Conducteur parcouru par un courant Répulsion Figure 3.2. – à la longueur utile l du conducteur. • Interaction d’un courant et d’un champ magnétique Soit un conducteur traversé par un courant I et placé dans un champ d’induction B (créé par un aimant permanent par exemple) perpendiculaire au conducteur (ﬁgure 3.
Lorsqu’on déplace le conducteur à une vitesse v.5 Tension induite Courant I ¡ Champ magnétique B ¡ Soit un aimant permanent créant un champ magnétique d’induction B dont le sens va du pôle nord N au pôle sud S. – la vitesse v du conducteur. Une tension induite Ui est créée aux bornes d’un conducteur ou d’une bobine – lorsque le conducteur ou la bobine se déplace dans un champ magnétique . Ui = B · l · v (V) Force F ¡ Figure 3.15). Il dépend du sens du courant et du sens des lignes de champ (ﬁgure 3. Un conducteur de longueur l est placé entre les pôles de l’aimant de façon à ce qu’il coupe perpendiculairement les lignes de champ magnétique. on constate une déviation du voltmètre (ﬁgure 3.14 : Tension induite Ui = + N ∆φ ∆t Règle de la main droite pour générateurs Courant induit Flux Ø La tension totale aux bornes d’une bobine de résistance R est alors égale à la somme de la tension induite et de la chute de tension due à la résistance (loi d’Ohm) : ∆φ utot = – R ⋅ i + N ∆t S Déplacement N Figure 3.2.3. Si on a une bobine à N spires : N I Courant induit S Figure 3.14).13 : Sens de la force courant-champ Le sens du courant induit créé par la tension induite (circuit fermé) est déﬁni par la règle de la main droite (ﬁgure 3.15 : Sens du courant de mouvement (règle de la main droite) 35 . – la longueur l du conducteur. Cette tension induite est proportionnelle à : – l’induction B qui traverse le conducteur. Générateurs Le sens de la force est déterminé selon la règle de la main gauche. Ce conducteur est relié à un voltmètre. 3. – lorsque le conducteur (ou la bobine) est traversé par un ﬂux variable. La tension ainsi obtenue est la tension induite.13).
2. On obtient ainsi une génératrice élémentaire à courant alternatif (ﬁgure 3.16). φ ui Figure 3. avec un matériau conducteur.6 Tension induite de mouvement ou de rotation Génératrice élémentaire Une tension induite alternative peut être générée en faisant tourner une spire (ou une bobine à N spires) dans un champ magnétique créé par un aimant permanent ou par un électroaimant. Plaque de cuivre N Courant induit S Figure 3. qui est déplacée dans un champ magnétique est le siège de courants induits (fermés sur eux-mêmes) qu’on appelle courants de Foucault (ﬁgure 3. Générateurs 3.16 : Génératrice élémentaire Tension Flux magnétique 3.3.17 : Courants de Foucault 36 .2.7 Courants de Foucault Pendule Une pièce massive.17). où la rotation provoque la variation du ﬂux embrassé par la spire ou la bobine.
18 Tôles. De même en générateur. La fréquence f délivrée par le générateur synchrone est directement proportionnelle à la vitesse de rotation n de son rotor : Figure 3.18 : Tôles Tôle de transformateur Rivet Isolation f=p·n où p. est le facteur de proportionnalité.5 mm d'épaisseur isolées entre elles Rivet 3. la fréquence électrique sera imposée par la vitesse de rotation. d'env. 0.3 3. il faut lameller le fer en faisant des paquets de tôles minces isolées entre elles comme indiqué sur la ﬁgure 3. la fréquence de rotation de la machine est rigoureusement imposée par la fréquence du courant alternatif qui alimente le stator. Cette propriété justiﬁe la dénomination de synchrone.1 Machine synchrone Généralités Noyau de transformateur Dans le fonctionnement en moteur. Quelques valeurs pour 50 Hz : Nombre de pôles 2p 2 4 6 8 10 12 Tableau 3.3.1 Vitesse n (t / min) 3000 1500 1000 750 600 500 37 . Générateurs Pour limiter ces courants dans les circuits magnétiques. le nombre de paires de pôles.3.
3. Ces derniers sont associés pour former trois enroulements identiques (un par phase) et décalés d’un angle électrique de 120° les uns par rapport aux autres. courant alternatif) Figure 3. Rotor Stator Alimentation courant continu Poulie d'entraînement Alimentation (3 phases.3. Le stator triphasé est composé de trois groupes de conducteurs.2 Principe Dans une machine synchrone (ﬁgure 3.19: Représentation schématique d'une machine synchrone 38 . Générateurs 3. – l’induit (stator) parcouru par des courants alternatifs en général triphasés. Ils sont parcourus par trois courants qui forment un système triphasé et créent un champ tournant excitateur.19). on distingue : – l’inducteur (rotor) parcouru par un courant continu ou parfois constitué d’aimants permanents . logés dans les encoches du stator.
Un schéma simpliﬁé du bobinage d’une machine à 4 pôles est proposé à la ﬁgure 3. Les indices représentent les phases. a2 b3 b1 a1 a3 b2 Figure 3. dont la vitesse Ωs est liée à la pulsation électrique ω des courants d’alimentation et au nombre p de paires de pôles déterminé par le bobinage du stator.20 : Stator triphasé 2 pôles Figure 3. Générateurs Dans une machine synchrone le stator est réalisé selon le principe de la ﬁgure 3. Les conducteurs créent un champ tournant à répartition sinusoïdale.21 : Stator triphasé 4 pôles Le rôle du rotor est de créer le champ magnétique tournant nécessaire à engendrer la tension induite alternative aux bornes du stator.21 pour une machine à 4 pôles. comportant 2p pôles.20 pour une machine à 2 pôles ou de la ﬁgure 3. les couples de lettres (a-b et c-d) les paires de pôles.3.22. Ωs = ω / p = 2 · π · ns Ωs : vitesse en rad / s ns : vitesse en tour / s S1 Inducteur S2 E1 Stator S3 E2 E3 Figure 3.22 : Représentation simpliﬁée d’un bobinage quadripolaire 39 .
Pour des raisons économiques. 3. Les constructeurs utilisent plutôt des tôles de rotors de moteurs asynchrones.3.24 : Excitation à diodes tournantes Figure 3. D’un point de vue constructif.24.5). – le rotor avec bobinage d’excitation.23 : Excitatrice auxiliaire Stator L1 L2 L3 N générateur principal Rotor Résistance d'ajustage GSA générateur auxiliaire Figure 3. Les différents types d’excitation avec bobinage sont représentés aux ﬁgures 3. Générateurs Le rotor. Figure 3.25 : Excitation en sous-tirage 40 . 3. dans lequel le ﬂux créé est constant.25. Le bobinage est monté dans les encoches de manière à avoir le nombre de pôles désiré. d’un point de vue magnétique est donc un aimant qui peut être de 2 types : – le rotor à aimants permanents. – le rotor à pôles saillants. les machines de petite puissance à pôles saillants sont rares.3. La tension induite ne dépend donc que de la fréquence (voir § 3.23. dans lequel le ﬂux varie avec le courant continu injecté dans la bobine (courant d’excitation). on considère : – le rotor à pôles lisses où l’entrefer est constant .
3. absorbée par le générateur synchrone est la puissance mécanique Pmec. = Pmec. – les pertes cuivre dues au passage du courant dans les 3 bobinages du stator. à l’arbre Pabs. La puissance active Putile fournie au réseau. – les pertes dans le circuit magnétique du stator. Figure 3. Le rendement est le rapport entre les puissances fournie et absorbée : Pertes fer Puissance utile Figure 3. Générateurs 3. ou pertes fer .26 : Bilan de puissance η= Putile Pabsorbée = Putile Putile + Σ Pertes U1 V1 MS 3~ 3.4 Symbole W1 Le symbole normalisé d’une machine synchrone est représenté à la ﬁgure 3. s’exprime en fonction de la tension aux bornes d’une phase et du courant dans chaque phase par : Putile = 3 · Uph · Iph · cos ϕ et en fonction de la tension composée et du courant de ligne : Putile = √3 · Uligne · Iligne . – les pertes par effet joule dans le bobinage d’excitation.27.3.cos ϕ Pertes cuivre Pertes par ventilation Pertes par frottement La différence entre les puissances absorbée et fournie représente les pertes dans le générateur synchrone : Pabs . ou aux consommateurs. La puissance Pabs.26.Putile = Σ PERTES Les différentes pertes sont : – les pertes par frottement et ventilation .3.27: Symbole de la machine asynchrone 41 .3 Bilan des puissances – Rendement Puissance d'entrée Voir bilan ﬁgure 3.
qui est lui-même généré par le courant d’excitation iexc .3. Le point de fonctionnement se trouve en général dans la zone entre les points A et B La variation de la tension induite Ui en fonction du courant d’excitation iexc est appelée caractéristique à vide. Ces caractéristiques sont appelées caractéristiques externes et sont représentées à la ﬁgure 3.3. Les caractéristiques sont tracées pour 3 valeurs de ϕ 42 . Ainsi. – au nombre de spires N en série par phase. Ui = K · N · f · Φ (V) La formule précédente donne la valeur efﬁcace de la tension induite dans chacune des phases. Ces fonctions sont remplies par un organe de régulation (voir chapitres 4 et 5). Figure 3.3. pour avoir une tension ﬁxe. 3. – au ﬂux magnétique Φ créé par le champ d’excitation. il faudra régler le courant d’excitation du générateur. Elle est représentée à la ﬁgure 3.6 U Caractéristiques en générateur Uio UN Si l’alternateur est entraîné à vitesse constante et qu’il alimente une charge en îlot.29. il faudra régler le débit d’eau dans la turbine.28 : Caractéristique à vide. c’est-à-dire à la vitesse . les caractéristiques obtenues montrent que la tension (U) varie beaucoup en fonction de l’intensité du courant débité et en fonction du déphasage imposé par la charge.29 : Caractéristiques externes. Générateurs 3. elle peut s’écrire: Ui = K’ · iexc (V) Figure 3.5 Ui B Uio A Tension induite dans les machines synchrones La tension induite Ui aux bornes d’une phase est proportionnelle : – à la fréquence f. Lorsque le rotor tourne à vitesse constante. Pour adapter la fréquence.28.
L’alternateur absorbe une puissance mécanique de 3. 3751 W. A vide. Réponse: 3357 W. alimente un moteur asynchrone triphasé qui absorbe une puissance de 3. déterminer les pertes de l’alternateur.3 V 43 .24 %.5 %. Il débite un courant d’intensité efﬁcace de 6.3.0 A dans une charge triphasée dont le facteur de puissance est de 0. un alternateur à aimants permanents fournit une tension induite de phase de valeur efﬁcace 220 V lorsque le rotor tourne à 1500 t/min. 2080 var.7 Exercices 1.0 kW. réactive. calculer la puissance mécanique qu’il absorbe. son stator est couplé en triangle.4 kW. c) Dans ces conditions de fonctionnement.9. 3949 VA. a) Calculer l’intensité efﬁcace I du courant de ligne ? b) Déterminer le rendement de l’alternateur pour ces conditions de fonctionnement ? Réponse: 5 A. apparente de la charge ? b) Sachant que le rendement de l’alternateur est de 89.85. La tension entre phases d’un alternateur triphasé couplé en étoile est égale à 380 V. Un alternateur triphasé 4 pôles – 380 V (étoile) – 50Hz. Générateurs 3. Quelle est la tension induite lorsque le rotor tourne à 2000 t / min ? Réponse: 293. a) Quelles sont les puissances active.3. 3. Le facteur de puissance du moteur est égal à 0. 394 W 2. 88.
appelée aussi machine à induction. Il doit son nom de moteur à induction au fait que le champ tournant du stator induit des courants alternatifs dans le circuit rotorique. de façon à réaliser un 44 . Il se compose de barres de cuivre ou d’aluminium placées dans des encoches et reliées entre elles à chaque extrémité par un anneau de même matière.30).4 Machine asynchrone triphasée Généralités 3.4. Les deux éléments sont faits de tôles magnétiques empilées. sauf utilisation particulière avec rotor bobiné.2). Il peut être constitué aussi d'un cylindre massif en matériau conducteur. • Le rotor comporte un bobinage en court-circuit. Générateurs 3.3.5 mm).3. les barres ne sont souvent pas isolées du corps rotorique (tôles). le bobinage rotorique forme un circuit fermé sur luimême. Le rotor bobiné est constitué de bobines de ﬁl isolé placées dans des encoches et reliées. de faible épaisseur (0. 0. peut.2 Principe La machine asynchrone est constituée d’un élément ﬁxe circulaire appelé stator. dans le but de réduire les pertes fer dues à la présence de champs magnétiques alternatifs. Les tensions induites étant généralement faibles. • Le stator d’une machine asynchrone est identique au stator d’une machine synchrone (chap. 3.1 La machine asynchrone. et d’un prix de revient relativement modique. fonctionner aussi bien en génératrice qu’en moteur. parce qu’il est simple. comme le bobinage statorique. dans lequel tourne un élément mobile cylindrique appelé rotor (ﬁgure3. de construction robuste. Le rotor à cage d’écureuil est le plus couramment utilisé.4. Dans les deux cas.2mm. Ces avantages sont surtout dus au fait que le rotor n’est branché sur aucune source extérieure de tension. 3. comme toutes les machines électriques. C’est toutefois le plus répandu des moteurs électriques.
D’après la loi de Lenz.3.30: Machine asyncrone 45 . Sous l’action du champ tournant. c’est-à-dire au déplacement relatif du champ tournant par rapport aux conducteurs rotoriques. les trois phases sont court-circuitées entre elles. le système réagit en s’opposant à la cause du phénomène d’induction magnétique. Générateurs enroulement triphasé. L’interaction du champ excitateur et du champ induit crée un couple moteur responsable de la rotation du moteur. En fonctionnement normal. des tensions sont induites dans les conducteurs rotoriques. Stator (culasse) Stator (bobinage) Rotor à cage Figure 3. Ces derniers sont alors parcourus par des courants induits (courants de Foucault) qui créent le champ tournant induit.
Figure 3.Ω).32).Ω) = p · s · Ωs = s · ω Axe ﬁxe s est appelé glissement. Il est ﬁguré ici par la direction de son axe déﬁnie par le vecteur unitaire (nT).Ω) = Ωs 46 . (Ωs-Ω) · t s = (Ωs . le glissement est négatif n > ns. Le rotor est en retard par rapport au champ tournant. il fournit un couple. la pulsation des courants rotoriques est : ωr = p · (Ωs . En moteur.Ω) / Ωs = (ns .4. il représente l’écart relatif de vitesse entre le champ tournant et le rotor.31: Symbole d'une machine asynchrone Dans une machine asynchrone (ﬁgure 3.31. Ce champ tourne à la vitesse angulaire Ωs. des courants induits y circuleront. Ceux-ci étant en court-circuit. donc pas d’actions électromagnétiques et pas de couple moteur.4. En régime moteur le rotor de la machine tourne à la vitesse angulaire Ω inférieure à Ωs. rapporté à la vitesse du champ tournant. Le rotor est en avance par rapport au champ tournant statorique .3 Symbole W1 V1 U1 Le symbole normalisé d’un moteur asynchrone est donné à la ﬁgure 3. Les conducteurs du rotor sont alors soumis à un champ magnétique variable qui tourne par rapport à euxmêmes à la vitesse (Ωs . C’est un nombre sans dimension que l’on exprime généralement en %.n) / ns Si la vitesse Ω était égale à Ωs. Il en résulte une tension induite dans les conducteurs.3. on doit fournir un couple à l’arbre par la machine d’entraînement (turbine). il n’y aurait plus de déplacement relatif du champ tournant par rapport au conducteur du rotor. le glissement est positif n < ns. M 3~ 3.4 Couple électromagnétique Figure 3. En générateur. Générateurs 3. Si le moteur comporte p paires de pôles. Il provient de la composition du champ dû au stator qui tourne à la vitesse Ωs et du champ dû aux courants rotoriques dont la vitesse angulaire vaut : Ω + (Ωs . un champ tourne dans l’entrefer à une vitesse angulaire Ωs.32 : Champ dans l’entrefer Le champ résultant dans l’entrefer est à répartition sinusoïdale.
4.5 Puissances et couple La puissance active (P) absorbée par un moteur ou fournie par une génératrice peut s’exprimer par : P = √3 · U · I · cos ϕ [W] U = tension entre phases du réseau I = courant dans la ligne ϕ = déphasage entre la tension de phase et le courant de phase La puissance mécanique utile Pu à l’arbre d’un moteur est fonction du couple utile Mu et de la vitesse angulaire Ω du rotor. 3.3. L’action de l’ensemble des forces électromagnétiques se réduit à un couple électromagnétique résultant (Mem). A chaque instant l’axe de la spire où l’intensité est maximale coïncide avec l’axe du champ rotorique qui tourne à la vitesse Ωs.33) qui résultent de l’interaction du champ tournant avec les courants induits. Pu = Mu · Ω où Ω = 2 · π · n [rad. Celle-ci est donc à la fois la vitesse de rotation de la distribution des courants induits et celle de l’ensemble des forces de Laplace qui glissent par rapport au rotor à la vitesse Ωs – Ω Le rapport entre la puissance absorbée et la puissance utile donne le rendement η de la machine : η= Pu Pa La différence de ces deux puissances constitue la somme des pertes dissipées dans la machine : Pa . / s] Figure 3.Pu = ΣPertes 47 .33 : Forces de Laplace Les spires d’un rotor à cage sont balayées par un champ tournant. Il développe une puissance électromagnétique égale à Mem · Ωs. Générateurs Les différents conducteurs du rotor sont soumis à des forces de Laplace (ﬁgure 3.
35). elles sont négligeables du fait de la faible fréquence du champ. Le bilan énergétique. Au rotor. ou ﬂux de puissance.3.s) · Ωs Parbre (absorbée) Figure 3.35 : Bilan de puissance en génératrice PFe = pertes fer statoriques Pcus = pertes ohmiques statoriques Pcur = pertes ohmiques rotoriques Pf+v = pertes mécaniques 48 . s · Pem Pem (1-s) · Pem • par effet Joule .34 et 3.Pfer . Figure 3 .Pcus .34 : Bilan de puissance en moteur Pel (utile) Pem En moteur. Zr est le nombre de barres rotoriques.5% de la puissance utile. Le couple électromagnétique est le même sur le rotor et sur le stator. elles sont estimées à environ 0. Elle est transmise au rotor par le couple électromagnétique Mem développé grâce au champ tournant.au rotor : Pcur = Z R ⋅ Rr ⋅ I 2 r Parbre (utile) où Rr est la résistance d’une barre rotorique. Générateurs Pel (absorbée) Ces pertes sont de quatre ordres : • mécaniques : Pf + v dues aux frottements et à la ventilation • fer : Pfer par hystérèse et courants de Foucault dues aux champs magnétiques alternatifs.au stator : Pmec Pcus = 3 ⋅ Rs ⋅ I 2 s où Rs est la résistance statorique . • supplémentaires : Psup dues aux harmoniques supérieurs du champ magnétique et à la présence des encoches. Mais la vitesse du rotor Ω est plus faible que celle du champ tournant Ωs : Ω = (1 . Pem = Mem · Ωs Ωs = 2 π ns étant la vitesse angulaire du champ tournant [rad / s]. la puissance transmise au rotor (Pem ou Pδ) est la puissance absorbée (Pa) diminuée des pertes fer.Psup Pem (1-s) · Pem s · Pem < 0 Pem est appelée puissance électromagnétique (ou puissance d’entrefer). permet d’analyser dans le détail la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique ou vice versa (ﬁgures 3. des pertes Joule au stator et des pertes supplémentaires : Pem = Pa .
Pmec) est perdue par l’effet Joule dans le rotor : Pcur = Pem .Pmec = Mem . Générateurs La puissance se transmet au rotor avec un couple constant. (Ωs .Ω) = Mem · Ωs · s Pcur = s ⋅ Pem = 3 ⋅ Rr ⋅ I 2 r D’où l’on tire : Pmec = (1 .s) · Pem et Pem = 3 ⋅ Rr ⋅ I 2 r s La puissance utile est obtenue en enlevant de la puissance mécanique les pertes mécaniques Pf + v. les pertes mécaniques Pf+v sont nulles et le glissement est égal à l’unité. La puissance mécanique est donc plus faible que la puissance électromagnétique : Pmec = Mem · Ω La différence (Pem .3. Donc : Med = Mud = 3 ⋅ Rr ⋅ I 2 r Ωs 49 .Pf + v Le couple utile a pour expression : Mu = où Pu = Mem – Mf + v Ω Pf + v Ω Mf + v = Remarque : le couple électromagnétique est proportionnel aux pertes Joule dans le rotor : Mem = Pem 3 ⋅ Rr ⋅ I 2 r = Ωs s ⋅ Ωs Au démarrage. mais avec une perte de vitesse. Pu = Pmec .
le cos ϕ. Il est aussi intéressant de représenter diverses caractéristiques du moteur en fonction de sa puissance mécanique. il est préférable de représenter ces courbes en fonction de la puissance utile. tels que le rendement (η). le glissement (s).4.3. Si la machine travaille en générateur. c’est-à-dire de la puissance électrique fournie aux consommateurs (ﬁgure 3.36 : Courbe de couple en fonction de la vitesse ou du glissement En fonctionnement normal.38). le moteur travaille dans la partie linéaire de la courbe 50 . Générateurs 3. le couple utile (Mu) (ﬁgure3.36. le courant (I). Couple M [Nm] Couple critique Couple de démarrage Couple à pleine charge Fonctionnement normal Vitesse synchrone Couple à vide Vitesse de rotation Fonctionnement en frein nominale Vitesse Fonctionnement en moteur Fonctionnement en générateur Figure 3.37).6 Caractéristiques La machine asynchrone est caractérisée par une courbe de couple représentée à la ﬁgure 3.
Générateurs η cos ϕ s cos ϕ η Charge nominale Mu [Nm] I [A] 15 Mu 10 I 5 s Pmec.8 kW – 3 x 380 V∆ – 50 Hz – 1425 t / min 51 .utile [kW] Figure 3.3.37 : Caractéristiques d’un moteur asynchrone 2.
du glissement nominal pouvant être déterminé grâce à la vitesse indiquée sur la plaque signalétique (chap. la machine asynchrone peut fonctionner en générateur sous certaines conditions : – elle doit être entraînée (turbine) à une vitesse supérieure à la vitesse synchrone .38 : Caractéristiques d’une machine asynchrone en moteur et en générateur 3. Générateurs moteur générateur In cos ϕm ηm Point nominal I / In ηg cos ϕg en moteur Point nominal en générateur Pel / Pmec n Pmecn = puissance mécanique nominale en moteur Pel = puissance électrique Figure 3. Le glissement sera proche.3).1) .3. – la machine asynchrone consomme toujours de la puissance réactive. Cette puissance réactive sera fournie par le réseau ou par une batterie de condensateurs (chap. aussi bien en moteur qu’en générateur du fait que l’enroulement statorique est toujours l’enroulement excitateur. au signe près.4.2 et 4. Pour un fonctionnement nominal en génératrice.7 Fonctionnement en génératrice Comme nous l’avons vu dans les paragraphes précédents. 4. ainsi le glissement est négatif. 4. 52 . la puissance électrique fournie correspondra environ à la puissance mécanique nominale en moteur.
Générateurs En génératrice. L’intensité efﬁcace dans un ﬁl de la ligne est égale à 11. le rendement est déﬁni par : η= Pel Pmec En régime générateur. n = 970 t / min. Pa = 14. Quel doit être le couplage des enroulements du stator ? Réponse: étoile. 3. la puissance réactive est supérieure à celle consommée.8 Exercices 1. Quel est le nombre de pôles du stator ? Réponse: 8 pôles. Un moteur asynchrone triphasé absorbe une puissance électrique Pa = 9. D'où: cos ϕGen.2 A. 3.3.8 kW. I = 24 A. 50 Hz) est alimenté par une ligne triphasée 380 V. Ainsi. < cos ϕmot. Un moteur asynchrone présente les caractéristiques suivantes : 5 kW. 50 Hz.4.0 kW. Les pertes fer et les pertes Joule au stator sont égales à 500 W. 2.40 Ω à 75°C. Déterminer les pertes par effet Joule dans le rotor ? Réponse: 213 W. Les essais en charge d’un moteur asynchrone triphasé 6 pôles dont le stator est couplé en triangle ont donné les résultats suivants : U = 400 V (entre phases). le rendement sera plus faible en génératrice qu’en moteur. 50 Hz. Chaque phase du stator a une résistance Rs = 0. 732 t/ min. Pa = 360 W. I0 = 11 A. 50 Hz. Déterminer les pertes par effet Joule au stator ? Réponse: 50 W.5 %. Un moteur asynchrone triphasé dont les enroulements triphasés sont couplés en triangle est alimenté par le réseau triphasé 400 V. 220 V / 380 V. 5. 53 . 4. Le glissement est de 2. – essai à vide : U = 400 V. Un moteur asynchrone triphasé à cage (220 V /380 V.
3. Générateurs
– mesure de la résistance statorique : Rs = 0.50 Ω à 20°C A partir de ces essais déterminer : a) le glissement s, b) le cos ϕ, c) la somme des pertes fer du stator et des pertes mécaniques, 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 mécanique utile et le rendement, g) le moment du couple utile. Réponse: 3.0 %, 0.89, 300 W, 288 W, 426 W, 13.8 kW, 93.5 %, 135.7 Nm. 6. Une machine asynchrone fonctionne en générateur sur le réseau interconnecté. Ses caractéristiques de fonctionnement sont les suivantes : U = 380 V couplage en étoile, I = 5 A, cos ϕ = 0.65, η = 80 %. Déterminer : a) la puissance active fournie au réseau, b) la puissance réactive absorbée, c) la puissance mécanique absorbée. Pour les mêmes conditions de fonctionnement, on désire obtenir un cos ϕ = 1.0 en branchant des capacités. Calculer : d) le courant dans la ligne, e) le courant dans le moteur. Réponse: 2145 W, 2356 var, 2681 W, 3.25 A, 5 A.
4. Exploitation des générateurs
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 signalétiques Bornier – couplage Fonctionnement en réseau interconnecté Caractéristiques de fonctionnement sous U = cte et f = cte Réglage de la puissance active P Réglage de la puissance réactive, du cos ϕ Mise en marche Fonctionnement en réseau isolé Caractéristiques Réglage de la fréquence Réglage de la tension Charge ballast Cas particulier d'un moteur asynchrone triphasé utilisé en génératrice pour un réseau monophasé Mise en marche Anomalies et contrôles
57 62 64 64 64 66 68 70 70 71 72 72 74 75 77
Les principales indications que l’on trouve sur la plaque signalétique d’une machine électrique sont les suivantes (voir sur les ﬁgures 4.1 et 4.2 un exemple respectivement pour un moteur asynchrone et une génératrice synchrone) : 1. 2. 3. 4. Fabricant Type
Fabr. Nr. 987654.001 B3 kW 2,2 5 8 IP 54 S1 11
Type : 100L4BZ IEC 34-1 6 9 KL. B Mot. 12 15 17 19 kg 25 3~
2 4 7 10 13
V 220∆ / 380Y A 8,7 / 5,0 1415
14 cos ϕ 0,85 16 18
Numéro de série Norme de référence Dans la majorité des cas, il sera fait mention des recommandations de la CEI 34-x (Comité électrotechnique international) qui concernent les machines électriques tournantes, à l’exclusion des machines de traction. Dans d’autres cas, il sera fait référence aux normes nationales d’un pays. Pour la Suisse, il s’agit des normes de l’ASE (Association suisse des électriciens) qui se réfèrent pour certaines parties aux recommandations de la CEI. Formes d’exécution et dispositions de montage (voir tableau 4.3). Protection : IPxy Il s’agit de la protection contre les particules solides (chiffre x) et du degré d’étanchéité (chiffre y) (voir tableaux 4.4). Classe d’isolation Déﬁnit l’échauffement max., respectivement la température max. (voir tableau 4.5). Dans la majorité des cas des machines de petite puissance, l’isolation est de classe B ou F. Puissance nominale / Puissance max. a) Machines synchrones : Il s’agit de la puissance apparente : S = √3 · Uligne · Iligne (VA) où U et I sont les valeurs nominales de tension et de courant de la machine (voir 11 et 14).
Figure 4.1 : Plaque signalétique d’un moteur asynchrone
Fabr. Nr. 7654.002 B3 VA 3'000 5 8 IP 54 S1 11
Type GS3450-1 IEC 34-1 6 9 KL. F Gen. 12 0,9 15 17 3~
V 380 Y A 5,0
14 cos ϕ 16 18 Ve 75
t/min 1500 Excit. Ae 12,5
19 kg 45
Figure 4.2 : Plaque signalétique d’une machine synchrone
Courant nominal Il s’agit du courant de ligne.6). Conditions de fonctionnement Il s’agit du cycle de fonctionnement prévu pour la machine sans dépasser les limites admissibles de température. voir paragraphe 4. 58 . La désignation S1. a) Machines synchrones avec bobinage d’excitation au rotor : – le courant d’excitation Ae est celui qui correspond aux valeurs nominales de tension. Couplages : • Triangle : ∆ • Etoile : Y Pour les machines synchrones. 18 /19. La durée d’un dépassement éventuel doit être limitée de manière à ne pas endommager l’isolation du bobinage. = Pmec nominale en moteur 9. Uligne · Iligne. dans le fonctionnement en génératrice. on peut admettre que cette puissance max. Fréquence nominale Fréquence pour laquelle la machine a été dimensionnée. Parfois cette indication n’est pas gravée sur la plaque signalétique. 14. Vitesse de rotation a) Machines synchrones : vitesse synchrone. le couplage du bobinage du stator est toujours en étoile (pour éliminer l’harmonique 3 de la tension composée). – la tension d’excitation Ve est celle qui correspond au courant Ae par la relation : Ve = Re. 17. où Re est la résistance de l’enroulement d’excitation à 75°C. Courant / Tension au rotor 10. Type de fonctionnement prévu par le constructeur – Mot. b) Machines asynchrones : valeur correspondant à la charge nominale en fonctionnement moteur. de courant et de cos ϕ indiquées sur la plaque signalétique. Pour les connexions correspondant au couplage. est garanti . est garanti. mais sur la carcasse de la machine.2. La puissance max. Variations possibles à ± 5 %. on peut estimer la vitesse ng correspondant aux puissance et fréquence nominales à partir de la vitesse nm indiquée sur la plaque signalétique d’un moteur : ng = 2 · ns . La puissance active absorbée correspondante est : 13. fournie aux bornes de la machine est : P1gmax. P P1m = mec η = 3 ⋅ Uligne ⋅ I ligne ⋅ cos ϕ où U et I sont les valeurs nominales de tension et de courant de la machine (voir 11 et 14). b) Machines asynchrones : vitesse nm correspondant à la puissance nominale (8) dans un fonctionnement en moteur. que l’on peut fournir à un consommateur. = √3 . avec cos ϕ = 1 Pour des génératrices asynchrones de petite puissance. C’est la valeur pour laquelle l’échauffement max. 16. Tension nominale / couplage Il s’agit de la tension composée (entre 2phases). Ae. est : P1gmax. Sens de rotation Vu du côté accouplement. 15.4.nm où ns est la vitesse synchrone du champ tournant. représente un fonctionnement permanent aux conditions nominales (voir tableau 4. = en générateur 11. par exemple. Exploitation des générateurs La puissance active nominale que la génératrice synchrone peut fournir est : P = S · cos ϕ = √3 · Uligne · Iligne · cos ϕ b) Machines asynchrones : Il s’agit de la puissance nominale à l’arbre Pmec en fonctionnement moteur. = en moteur – Gen. C’est la valeur pour laquelle l’échauffement max. Dans le cas d’un moteur asynchrone utilisé en génératrice. Facteur de puissance cos ϕ a) Machines synchrones : valeur pour laquelle le circuit d’excitation a été dimensionné.
Exploitation des générateurs b) Machines asynchrones à rotor bobiné : – la valeur de tension est celle qui correspond à la tension induite aux bornes du rotor ouvert. à l’arrêt . ou le type de refroidissement. 4. ou….4. ou l’inertie. Moteur à pattes de ﬁxation horizontal B3 B6 B7 B8 vertical V5 V6 Moteur à bride de ﬁxation Brides à trous lisses traversants horizontal B5 vertical V1 V3 Moteur à bride Brides à trous taraudés 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. le bobinage rotorique étant court-circuité. 20.3 : Formes d’exécution et dispositions de montage (CEI 34-7) 59 . Autres indications La masse. – la valeur du courant est celle qui correspond au courant induit pour la charge nominale.
4.4 : Type de protection (CEI 34-5 – 1991 + DIN 40'050) 60 . Exploitation des générateurs Lettres caractéristiques IP 1er chiffre caractéristique x : 0 à 6 2e chiffre caractéristique y : 0 à 8 Protection contre la pénétration de corps solides et de liquide (eau) Degré de protection contre la pénétration de corps solides Degré de protection contre la pénétration d’eau 1er chiffre caractéristique x 0 1 2 Degré de protection 2e chiffre caractéristique y 0 1 2 Degré 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 poussière Etanchéité à la poussière Pas de protection Protection contre les chutes verticales de gouttes d'eau Protection contre les chutes d’eau pour une inclinaison maximale de 15° Protection contre l’eau « en pluie » Protection contre les projections d’eau Protection contre les jets d’eau Protection contre les paquets de mer Protection contre les effet de l'immersion Protection contre l’immersion prolongée 3 4 5 6 3 4 5 6 7 8 Tableaux 4.
6 : Cycles de fonctionnement (CEI 34-1) Durée d'un cycle Charge D N R R = Repos Tmax = Température maximale atteinte au cours du cycle Pertes D = Démarrage N = Fonctionnement à charge constante Facteur de marche = D + N ⋅ 100% D+N+R Température Tmax Exemple : Service type S4 – intermittent périodique à démarrage 61 . 105°C 120°C 130°C 155°C 180°C Tableau 4.4. Exploitation des générateurs Classe d'isolation A E B F H Echauffement max.5 : Classe d’isolation et limites d’échauffement / température pour machines de puissance inférieure à 200 kW (CEI 34-1) Désignation service type S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Service continu Services temporaires Services intermittents périodiques Services intermittents à démarrage Services intermittents à démarrage et freinage électrique Services interrompus à charge intermittente Services interrompus à démarrage et freinage Services interrompus à changement de vitesse périodique Fonctionnement Tableau 4. 60°C 75°C 80°C 105°C 125°C Température max.
2 Bornier – couplage Un bornier de machine électrique triphasée comporte : a) pour le stator : 3 ou 6 bornes – S’il n’y a que 3 bornes.4.8. – Cas des machines asynchrones à rotor bobiné : 3 (ou 4) bornes. et 4. Le seul moyen de connaître le couplage est de se référer à la plaque signalétique. il faut croiser les connexions sur les deux phases extrêmes. Exploitation des générateurs 4. le couplage du bobinage (étoile ou triangle) est formé à l’intérieur de la machine. le couplage se fait selon les ﬁgures 4.7. Pour changer le sens de rotation du rotor (pour un moteur) ou le sens du champ tournant. b) pour le rotor : – Cas des machines synchrones : 2 bornes (alimentation à courant continu). 62 . – S’il y a 6 bornes.
7: Couplage étoile 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 4.4. Exploitation des générateurs U2 V2 W2 W2 U2 V2 U1 V1 W1 U1 V1 W1 L1 L2 L3 L1 L2 Machine asynchrone L3 Machine synchrone Figure 4.8: Couplage triangle d'une machine asynchrone 63 .
du facteur de puissance. b) Machines asynchrones – Variation de la vitesse en fonction du couple mécanique (ﬁgure 3. 4. le réseau principal où la tension U et la fréquence f sont rigides.10). – de leur mise en marche pour produire de l’énergie sur le réseau principal.66 Pn 0. distributeur.8 Pn Pn 2 1 0 0 2 Iexc [A] 4 6 Les 2 types de génératrices. pointeau. 0. – des réglages des puissances active et réactive . – les caractéristiques de réglage représentant la variation du courant d’excitation en fonction du courant stator. pour différentes valeurs du facteur de puissance cos ϕ (ﬁgure 4. en cas de fonctionnement à tension et fréquence constantes.5 Pa 0. …).10 : Caractéristiques de réglage Pour les 2 types de machines.4.3. 4.3. Il faut donc prévoir un régulateur agissant sur le débit (vanne motorisée. la puissance active fournie par la génératrice est fonction du débit d’eau à disposition. Exploitation des générateurs Caractéristiques génératrice synchrone à U = cte et à f = cte 4.25 Pa 0.38).3 Fonctionnement en réseau interconnecté 4 3 Is [A] On entend par réseau interconnecté. sont analysés du point de vue de : – leurs caractéristiques . sont les suivantes : – les courbes en « V » représentant la variation du courant stator en fonction du courant d’excitation pour différentes valeurs de puissance active à débit variable (ﬁgure 4. synchrone et asynchrone.9 : Courbes en « V » d'une machine synchrone de 2300 VA – 3 x 380 V – 50 Hz a) Machines synchrones Les caractéristiques les plus intéressantes pour l’exploitant. – Variation du courant.2 Réglage de la puissance active P Figure 4. Le régulateur de la turbine a pour fonction de maintenir un niveau d’eau constant (prise d’eau) pour assurer la mise en pression de l’installation (voir brochure PACER « Régulation et sécurité d'exploitation»).9) .36).1 Caractéristiques de fonctionnement sous U = cte et f = cte Figure 4. 64 . c’est-à-dire que leur valeur ne varie pratiquement pas en fonction de la charge. du rendement en fonction de la puissance fournie (ﬁgure 3.
la puissance active variera en fonction des variations naturelles du débit et de la hauteur de chute. la puissance active. Réglage de débit Réglage de Q ou cos ϕ L1 L2 L3 N 2 I 5 1 Figure 4. si le débit d’eau est trop faible. la machine peut fonctionner en moteur et absorber de la puissance au réseau.4.11 : Schéma global d’une installation (machine synchrone) avec réglages de débit d’eau et de courant d’excitation 1 = Turbine 2 = Contacteur d'alimentation de l'excitation 5 = Disjoncteur de connexion au réseau 65 . la génératrice doit être déconnectée du réseau. c) Dans le cas des centrales au ﬁl de l'eau. s'il n’y a pas de possibilité de régler le débit. Exploitation des générateurs Remarques: a) Si les puissances nominales de la turbine et de la génératrice ne correspondent pas tout à fait. donc le débit. b) Pour les génératrices asynchrone et synchrone. doit être limitée de façon à ce que le courant nominal de la génératrice ne soit pas dépassé (limitation de l'ouverture de la turbine). Dans ce cas.
la machine absorbe de l’énergie réactive (réseau capacitif ϕ < 0). Exploitation des générateurs L1 L2 L3 N Résistance d'ajustage 2 I 5 1 Figure 4. 66 . Si l’on diminue le courant d’excitation par rapport au fonctionnement à vide.3.12 : Schéma global sans réglage de débit à Iexc = cte (cas d’une machine synchrone) 1 = Turbine 2 = Contacteur d'alimentation de l'excitation 5 = Disjoncteur de connexion au réseau 4. du cos ϕ La puissance réactive est nécessaire aux consommateurs qui possèdent des moteurs à courant alternatif. il faut augmenter le courant d’excitation par rapport au fonctionnement à vide (sans charge).3).3 Réglage de la puissance réactive. il faut surveiller le courant du stator pour qu’il ne dépasse pas le courant nominal.4. a) Cas des machines synchrones Le réglage de la puissance réactive se fait au moyen du réglage du courant d’excitation. Remarque: En cas de coupure du réseau par défaut (voir chapitre 7. Dans tous les cas.4. le système d'excitation doit aussi être déconnecté. Pour augmenter la puissance réactive fournie au réseau (inductif ϕ > 0).
2 = Disjoncteur de connexion au réseau. qu’elle fonctionne en moteur ou en génératrice.13 : Schéma global sans réglage de débit (cas d’une machine asynchrone) avec compensation 1 = Turbine. En pratique la compensation se fait à cos ϕ2 = 0. correspondant aux conditions nominales. peut être estimé par: cos ϕ 1 = Pmec n 3 ⋅ Uligne n ⋅ I ligne n Remarque: En cas de coupure du réseau par défaut (voir chapitre 7.3). Cphase = P (tg ϕ 1 – tg ϕ 2) 2 3 ⋅ ω ⋅ UCphase avec ω = 2 · π · f La compensation parfaite est celle qui correspond à cos ϕ2 = 1 (ϕ2 = 0). Exploitation des générateurs b) Cas des machines asynchrones La machine asynchrone absorbe toujours de la puissance réactive. l'angle ϕ1.4.9. L’amplitude de cette puissance réactive varie avec la charge. Pour les génératrices asynchrones de petite puissance. à raison d’un condensateur par phase de capacité Cphase.4. L1 Cphase L2 L3 N 3 I 2 1 Figure 4. Si elle doit être compensée pour améliorer le facteur de puissance d’une valeur cos ϕ1 à une autre cos ϕ2. les condensateurs doivent aussi être déclenchés. il faut installer une batterie de condensateurs. 3 = Contacteur d'enclenchement des condensateurs 67 .
5 µF) qu’en fonctionnement en générateur à charge nominale.4. la puissance réactive nécessaire à magnétiser la machine asynchrone est de : Qo = Pelo · tg ϕo = 220 · 9. 68 .380 V étoile .11 = 53. Exploitation des générateurs Exemple : Plaque d’un moteur : 2200 W .4 Mise en marche a) Machine synchrone Les 4 conditions de mise en parallèle d’une génératrice synchrone sur un réseau interconnecté sont : – mêmes sens du champ tournant .cos ϕ1 = 0.5 A . il y a un surplus de puissance réactive de 452 var (2440 – 1988) qui est donc fourni par la batterie de condensateurs au réseau interconnecté. 4.cos ϕ1 = 0. – phase nulle entre les 2 systèmes triphasés de tensions.85 Les résultats de mesure d’un fonctionnement à vide en moteur sont : Pelo = 220 W .380 V étoile .67 Calcul de la capacité pour compenser le cos ϕ à 1 sous charge nominale : Cphase = 2200 ⋅ 1.3.5 µF par phase est de : QCtot = 3 · ω · C · Uph2 = 2440 var En fonctionnement à vide (sans échange de puissance active avec le réseau).50 Hz .50 Hz .04 = 1988 var En gardant la même valeur de capacité (53.380 V étoile .5 µF 3 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ 50 ⋅ 2202 La puissance réactive totale fournie par la batterie de condensateurs de 53. – mêmes tensions . – mêmes fréquences .5 ⋅ 10– 6 F = 53.11 Fonctionnement en générateur Sous charge nominale: Pel = 2200 W .cos ϕ0 = 0.
Les opérations pour satisfaire ces conditions sont les suivantes (ﬁgures 4.11 et 4.12) :
 Démarrer le groupe au moyen de la turbine de
manière à atteindre la vitesse synchrone.
 Alimenter le bobinage rotorique de la machine
synchrone (excitation), au moyen d’une source variable à courant continu, jusqu’à obtenir la tension nominale aux bornes du stator.
 Vériﬁer, au moyen d’un appareil adéquat, que le
sens du champ tournant de la machine synchrone est le même que celui du réseau.
 Ajuster la fréquence et la tension de la machine
synchrone pour qu’elles soient les mêmes que celles du réseau.
 Lorsque les 2 systèmes triphasés de tension du
réseau et de la machine synchrone sont en phase, enclencher le disjoncteur I (ou le contacteur). Les opérations de mise en charge sont les suivantes :
 Pour augmenter la charge active fournie au
réseau, augmenter le débit d’eau dans la turbine.
 Pour changer la puissance réactive, ou le facteur
de puissance cos ϕ, varier le courant d’excitation dans le bobinage du rotor de la machine synchrone.
b) Machine asynchrone La mise en marche de la génératrice asynchrone est plus simple que pour la machine synchrone (ﬁgure 4.13).
manière à atteindre approximativement la vitesse synchrone.
 Enclencher le disjoncteur I (ou le contacteur) permettant d’interconnecter la génératrice asynchrone et le réseau. Une pointe de courant (environ 5 fois le courant nominal) apparaîtra au moment de l’enclenchement. La machine asynchrone est capable de supporter cette surintensité temporaire. Cependant, les protections doivent être prévues en conséquence.
 Enclencher la batterie de condensateurs, s’il y a
compensation du facteur de puissance.
Caractéristiques génératrice synchrone en réseau isolé
 Pour augmenter la charge active fournie au
réseau, augmenter le débit d’eau dans la turbine. N.B. L’échange de puissance réactive avec le réseau dépend de la valeur des capacités de la batterie de condensateurs (cf. Exemple sous 4.3.3b).
Fonctionnement en réseau isolé
On appelle réseau isolé :
Is = k · Pel
Figure 4.14 : Variation U (Is) à f = cte et à cos ϕ = 1 pour différents courants d’excitation
– le cas d’une station de production qui fournit de l’énergie électrique à un ou plusieurs consommateurs, la centrale pouvant comporter 2 générateurs par exemple ; – ou le cas de 2 stations de production qui fournissent en parallèle de l’énergie électrique à plusieurs consommateurs. Dans le cas d’un réseau isolé, les tension et fréquence délivrées varient en fonction de la charge : U ≠ cte et f ≠ cte
Caractéristiques génératrice asynchrone en réseau isolé
a) Machine synchrone – Caractéristiques externesreprésentant la variation de la tension en fonction de la charge (ou du courant stator) à fréquence constante: • à courant d'excitation constant pour difféfents cos ϕ (ﬁgure 3.29); • pour différents courants d'excitation et différents cos ϕ (ﬁgure 4.14).
– Vitesse en fonction de la charge : dépend de la caractéristique de la turbine.
Figure 4.15 : Variation U (P) pour 2 condensateurs de capacité Co et CN
b) Machine asynchrone – Tension en fonction de la charge (ou du courant du stator) pour une fréquence constante et pour différentes valeurs de capacités (ﬁgure 4.15). A titre d’exemples : • la ﬁgure 4.16 montre les caractéristiques U (P) et I (P), mesurées à fréquence constante, pour une machine de 3 kW ; • la ﬁgure 4.17 montre la forme de U (P) à débit constant avec une caractéristique de turbine déterminée. – Vitesse en fonction du couple mécanique pour garder une fréquence constante (ﬁgure 3.36).
I/In 1,2 U (75 µ F) 1,0 U (56 µ F) 0.8 I (75µ F) domaine instable I (85 µ F) U (85 µ F) U/Un
0.6 I (56 µ F) 0.4
La valeur à mesurer est la fréquence avec pour consigne la fréquence nominale. La fréquence peut se mesurer : – par la fréquence de la tension de l’alternateur ; – ou par une machine auxiliaire donnant une tension proportionnelle à la fréquence (uniquement dans le cas d'une génératrice synchrone). Pour les 2 types de machines, le réglage de la fréquence, c’est-à-dire de la vitesse de rotation, se fait par le réglage du débit d’eau dans la turbine en fonction de la charge. Dans les cas où le débit n'est pas réglé, il faut alors prévoir 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 d’une machine asynchrone de 3 kW
U/Un 2
a) Machines synchrones Maintenir la vitesse constante égale à la vitesse synchrone. b) Machines asynchrones Il faudrait varier la vitesse (au-dessus de la vitesse du synchronisme). En pratique, on peut obtenir une fréquence plus ou moins constante (à ± 5%) par le maintien d'une tension constante.
Pel /Pn
Figure 4.17 : Variation U (P) pour une caractéristique de turbine où, à puissance nulle, la vitesse est égale à 2 fois la vitesse nominale
Figure 4. Si Pconsommateur = 0. b) Machine asynchrone Devrait se faire en variant les condensateurs d’excitation en fonction de la charge. c’est que la puissance demandée par les consommateurs est plus élevée que la puissance nominale.4 Padaptative = Peln . 4. Cependant. Exploitation des générateurs 4. alors : Pballast = Peln Si Pconsommateur = Peln. La puissance totale fournie par la génératrice est (ﬁgure 4.18) : Temps Peln = Pballast + Pconsommateur Cette puissance ne doit pas dépasser la puissance nominale de la génératrice. alors: il faut déclencher le groupe.4. Si f ou U baissent.Pconsommateurs P Peln Padaptative Pconsommateurs Charge ballast Dans le cas où le débit d’eau n'est pas réglé.4.4. Il faut alors diminuer la charge ballast.18 : Principe de la charge ballast (ou adaptative) 72 . alors : Pballast = 0 Si Pconsommateur > Peln.3 Réglage de la tension La valeur à mesurer est la tension aux bornes du (des) consommateur (s) avec pour consigne la tension nominale. il faut prévoir une charge ballast (ou adaptative) correspondant à la puissance électrique nominale. La résistance ballast est connectée en parallèle avec le consommateur. ceci étant impossible à un coût raisonnable. il faut choisir une capacité moyenne de manière à ce que les variations de tension ne dépassent pas les limites de ± 10%. a) Machine synchrone Se fait par le réglage du courant d’excitation par l'intermédiaire d'un régulateur de tension.
ce système permet d’éviter : – pour la génératrice synchrone.33 A RB 66 73 . un régulateur de tension . Pour autant que le cos ϕ de la charge ne varie pas.b.3. le réglage des capacités. Exemple de calcul d’une résistance ballast Cas de la machine de l’exemple 4. soit la tension aux bornes du consommateur. – pour la génératrice asynchrone.220 V (tension de phase) La résistance ballast est calculée comme suit : 2 2 Uph = 3 ⋅ 220 = 66 Ω / phase Pel n 2200 3 RBphase = Le courant qui traversera cette résistance sera : I RB = Uph 220 = = 3.3.4. Exploitation des générateurs Il faut donc prévoir un régulateur de la charge ballast qui surveille soit la fréquence.50 Hz . La puissance active électrique nominale est de: 2200 W .
pour éviter une dissymétrie trop importante entre les 3 phases de la machine. il faut en particulier prendre garde au calcul et aux connexions correctes des capacités (ﬁgure 4. un moteur asynchrone triphasé industriel peut être utilisé en génératrice monophasée.19 : Génératrice asynchrone triphasée utilisée en monophasé avec charge ballast 74 . Exploitation des générateurs 4. En effet. C2 Charge adaptative Figure 4.4.19).5 Cas particulier d’un moteur asynchrone triphasé utilisé en génératrice pour un réseau monophasé Moyennant certaines conditions. La capacité C1 se calcule comme suit : C1 = 3 3 ⋅ ω ⋅ Rch et la capacité C2 = 2 · C1 avec ω=2·π·f Rch : résistance de charge correspondant à la puissance électrique nominale C1 ~ 220 V.4.
La vitesse sera maintenue constante par le régulateur de fréquence.  Alimenter le bobinage du rotor. entrent automatiquement en fonction sitôt que la vitesse synchrone est atteinte Réglage de f Réglage de U 2 I 3 1 Utilisateurs Figure 4. de manière à atteindre la tension nominale aux bornes du stator (habituellement régulateur de tension). Les régulateurs de fréquence et de tension.4.20)  Démarrer le groupe au moyen de la turbine de manière à atteindre la vitesse synchrone. par une source variable à courant continu.20 : Mise en marche de machine synchrone en réseau isolé 1 = Turbine 2 = Contacteur d'enclenchement du système d'excitation 3 = Disjoncteur (contacteur) de connexion à la charge 75 . Exploitation des générateurs 4.4.6 Mise en marche a) Machine synchrone (ﬁgure 4.  Enclencher le disjoncteur sur les consommateurs. ou éventuellement le régulateur par charge ballast.
– la droite Uc (Ic) de la capacité.21)  Démarrer le groupe au moyen de la turbine de manière à atteindre approximativement la vitesse synchrone. la génératrice doit avoir une tension rémanente de 2 à 3 V au moins. Pour qu’il y ait amorçage. éventuellement par charge ballast. avec: Uc = Ic 2⋅π⋅f⋅C L’intersection des 2 courbes représente le point de fonctionnement à vide. Cphase 2 I 3 1 Utilisateurs Régulateur de charge Résistance ballast 1 = Turbine 2 = Contacteur d'enclenchement condensateurs 3 = Disjoncteur (contacteur) de connexion aux consommateurs Figure 4. La suite des opérations est automatique au moyen du régulateur.  Enclencher le disjoncteur sur les consommateurs.  Enclencher les capacités.21 : Mise en marche de machine asynchrone en réseau isolé avec charge ballast 76 .4. Exploitation des générateurs b) Machine asynchrone (ﬁgure 4. La ﬁgure 4.22 représente : – la caractéristique saturée U (Iµ) de la machine asynchrone. Il se produit alors la montée en tension aux bornes du stator par le phénomène d’amorçage et auto-excitation.
/ Fréquence min. Exploitation des générateurs U~B Io Uo P Ii Ic e iqu t s ri té é ac r cit ca pa a C nétisation courbe de mag à vide de la machine Uc ) (I c U (Iµ) à fréquence nominale fn U2 Tension rémanente U1 I1 Iµ ~ H Figure 4. : – débit d’eau trop grand par rapport à la charge demandée. – débit d'eau trop faible. • • 77 .4.: – puissance active à fournir trop grande. Vitesse min. Surintensité : – charge demandée trop importante par rapport à la puissance nominale. – court-circuit aux bornes. – coupure brusque de la charge.22 : Auto-excitation d’une génératrice asynchrone 4.5 Anomalies et contrôles Les défauts principaux qui peuvent apparaître dans une génératrice sont les suivants : • Survitesse / Fréquence max.
Retour d’énergie • • Il y a donc lieu de prévoir non seulement des protections (chapitre 7).4. • mesure de l’énergie fournie. Sous-tension : – niveau d’excitation trop bas. Exploitation des générateurs • Surtension : – niveau d’excitation trop important. mais aussi des appareils de mesure de tableau tels que (ﬁgure 4. • mesure de la puissance active totale fournie.23) : • mesure de vitesse. • mesure de la tension aux bornes. – coupure brusque de la charge. • mesure des 3 courants stator de la génératrice. • mesure de la fréquence. • mesure du courant avant le réseau ou les consommateurs. 78 . • mesure du courant d’excitation de la génératrice synchrone. – pour génératrice asynchrone en réseau isolé : désamorçage des capacités.
Parafoudre Protections générateurs Surveillance du groupe 13. Température paliers 4.Réseau de basse tension GENERATEUR Régulation et protection turbine 7. Surcharge/ court-circuit 8. Relais surveillance fréquence maximum et minimum 1. Voltmètre 14. Arrêt d'urgence (déﬂecteur. pointeau) 2. Relais surveillance tension maximum et minimum 19. Compteur de production Protections du réseau 18.23 : Schéma général pour le contrôle. Réglage débit (distributeur. la commande. Retour d'énergie 12. Wattmètre 17. Tachymètre 5. Régulation niveau d'eau 4. Asymétrie des phases 10. Surtension 9. Exploitation des générateurs Figure 4. Température bobinage 11. les protections 79 . Détection survitesse 6. vanne de sécurité) 3. Ampèremètre 15 Fréquencemètre 16.
6 5.5 5.2.2.2 5.2.4 5.2.9 5.5.1 5.2.2.1 5. Comparaison entre les générateurs synchrone et asynchrone 5. 5.8 5.2. Comparaison entre les générateurs synchrone et asynchrone 5.2.2.3 5.2.7 5.3 Qualité de l'énergie électrique Critères techniques de comparaison Construction Maintenance et pièces détachées Synchronisation Système d'excitation en réseau interconnecté Système d'excitation en réseau isolé Régulation de U et f en réseau isolé et système d'excitation Rendement Survitesse Inertie Comparaison des coûts à l'investissement 83 83 83 83 83 84 84 84 84 85 85 85 81 .
Les pièces détachées ne sont pas toujours disponibles à cause du marché restreint surtout dans certaines régions comme les pays en développement.2 Maintenance et pièces détachées • Machine asynchrone : L’entretien est réduit au minimum. de façon à pouvoir choisir en toute connaissance de cause. il faut se rappeler que le couple des moteurs asynchrones varie avec le carré de la tension d’alimentation (chapitre 3). au système d’excitation. le problème des variations de tension et de fréquence sera soigneusement étudié. elles varient proportionnellement à la fréquence (chapitre 2). Comparaison entre les générateurs synchrone et asynchrone Pour pouvoir se décider entre l’acquisition d’une machine asynchrone ou d’une génératrice synchrone.2 Critères techniques de comparaison La comparaison portera sur des considérations liées à la construction.5. Lorsque les génératrices fonctionnent en réseau isolé. • Machine synchrone : Pour un fonctionnement sur un réseau intercon- 83 . il apparaît une pointe de courant dont la durée dépend de la valeur du glissement au moment de la connexion.2. Les moteurs alternatifs et les transformateurs sont aussi sensibles aux variations de tension et de fréquence. Les réseaux interconnectés ont une fréquence très constante de 50 Hz (ou 60 Hz). • Machine synchrone : Elle nécessite une bobine d’excitation qui doit être alimentée en courant continu.1 Construction (voir chapitre 3) 5. mais aussi des limites techniques. à la maintenance. Les pièces détachées sont toujours disponibles grâce à l’utilisation très répandue des moteurs asynchrones. à l’enclenchement sur le réseau. 5.1 Qualité de l’énergie électrique Les différentes charges sont dimensionnées pour fonctionner sous une tension et une fréquence nominales les plus constantes possibles. surtout aux niveaux des charbons. avec une tolérance prévue en 2006 de ±10 %. • Machine asynchrone : Les rotors à cage d’écureuil sont simples et robustes. Les moteurs asynchrones sont fabriqués en très grande série pour les petites et moyennes puissances. surtout au niveau des problèmes du réglage de la tension et de la fréquence. 5. soit par une source externe à travers des bagues et des charbons. Comparaison entre les générateurs synchrone et asynchrone 5. La tension est de 400 / 230 V. Les appareils électriques doivent pouvoir fonctionner avec une certaine tolérance de tension. Toutefois. en général ±10 %. soit par l’intermédiaire d’une machine auxiliaire alternative et des diodes tournantes. inﬂuencés eux-mêmes par le type de réglage hydraulique. A chaque poste. En effet.2. des diodes tournantes. 5.3. Les limites de ces variations devront se trouver dans la même fourchette que celle du réseau industriel. 5. soumises à des variations de tension. La conséquence pour les résistances (lampes. au système de réglage. des bobines d’excitation. Quant aux réactances inductives.…). • Machine synchrone : Le risque de réparations est plus grand. il faut se poser un certain nombre de questions en commençant par les exigences du consommateur quant à la qualité de l’énergie électrique fournie. Le choix dépend non seulement des contraintes économiques.2. il faudra attribuer des points en fonction des priorités du moment. est une diminution de la durée de vie. provoquant une augmentation du courant quand la fréquence baisse. corps de chauffe. alors qu’actuellement la variation admise est de –10 % à +6 %. Il en résulte une grande ﬁabilité. Synchronisation • Machine asynchrone : Pas nécessaire.
2. La tension et la fréquence sont ﬁxées par le réseau industriel.2. • Machine synchrone : Alimentation du système d’excitation. à courant d’excitation ﬁxe. celle-ci doit être compensée à la valeur minimale.7 Rendement • Machine asynchrone : Au moyen de capacités en parallèle. 5. par le réseau industriel. associée au régulateur de tension.2.2. On veillera à fonctionner à puissance active nominale. La commutation sur l’une ou l’autre des capacités dépendra du niveau de tension (relais de tension). 2 valeurs de capacités sufﬁsent à garantir la tension dans la tolérance de ±10 %. Les charges inductives doivent être compensées pour elles-mêmes au moyen de capacités.5. nécessité d’un synchronoscope pour contrôler les 3 conditions de synchronisation (voir chapitre 4). c’est-à-dire sans régulateur de tension. Si l’on désire régler le cos ϕ. la fréquence est ajustée par le réglage de vitesse. 84 . Pour des génératrices de petite puissance (< 500 kW). Cependant. Si leur puissance réactive varie.5 Système d’excitation en réseau isolé (voir chapitre 4) • Le système hydraulique ne comprend pas de réglage de débit La fréquence et la tension sont réglées par une charge ballast (voir chapitre 4): a) Si la puissance réactive de la charge est constante – Machine asynchrone : Une seule capacité sufﬁt – Machine synchrone : Régulateur de tension pas nécessaire b) Si la puissance réactive de la charge varie: – Machine asynchrone : Il faut prévoir 2 capacités dont les valeurs seront calculées de manière à ce que la variation de tension en fonction de la charge ne sorte pas de la tolérance de ±10 %. par soutirage sur la machine synchrone.2.9). 5. En général. Pour les machines de très petite puissance (< 1 kVA). Pour le réglage de la tension : – Machine asynchrone : Excitation par des capacités en parallèle. 5.4 Système d’excitation en réseau interconnecté 5. aucune capacité n’est en principe nécessaire. associée au régulateur de tension.6 Régulation de U et f en réseau isolé et système d’excitation • Le système hydraulique comprend un réglage de débit Dans ce cas.5. donc du débit. on peut à la limite se dispenser de cet équipement. on agira sur le courant d’excitation par l’intermédiaire du régulateur. • Machine asynchrone : Le rendement et le facteur de puissance diminuent fortement à puissance réduite (débit inférieur au débit nominal). • Machine asynchrone : La puissance réactive d’excitation étant fournie par le réseau. On tiendra compte de la remarque 5. on peut fonctionner. – Machine synchrone : Régulateur de tension agissant sur le courant d’excitation. en ce qui concerne les consommateurs de puissance réactive. il est préférable de compenser le cos ϕ de la génératrice par une capacité en parallèle (en général pour obtenir un cos ϕ égal à 0. Une valeur trop élevée de capacité peut provoquer une augmentation excessive de la tension lorsque la charge baisse. par souci d’économie. – Machine synchrone : Régulateur de tension agissant sur le courant d’excitation. Comparaison entre les générateurs synchrone et asynchrone necté. • Machine synchrone : Alimentation du système d’excitation. La commutation sur l’une ou l’autre des capacités dépendra du niveau de tension (relais de tension). dimensionnée pour la charge nominale (voir chapitres 3 et 4).
5. les prix sont compétitifs. • Machine synchrone : Le rendement est encore bon à charge partielle.2. Fonctionnement en réseau isolé 5. D’où la nécessité parfois d’accoupler un volant d’inertie pour amortir les oscillations de vitesse lors de variations brusques de la charge ou pour limiter l’accélération du groupe et par là éviter le coup de bélier. la génératrice asynchrone présente des avantages économiques.5. au-dessus de 100 kVA. 85 . Pour des puissances moyennes. la génératrice synchrone avec son système d’excitation et de réglage est plus courante que la génératrice asynchrone. la diffusion actuelle sur le marché d’un tel système de production est limitée. augmentent le prix à l’achat. il faut préciser qu’actuellement. il faut confronter les générateurs synchrone ou asynchrone avec leur système d’excitation et de réglage en tension et en fréquence.nN • Machine synchrone : A spéciﬁer en fonction de la turbine utilisée.2.2. d’autant plus que des machines asynchrones de cette puissance ne sont pas disponibles couramment.8 Survitesse • Machine asynchrone : De façon pratiquement usuelle : – Machines à 4 pôles : nmax ≈ 2. Jusqu’à 25 kVA. Cependant. par rapport à la valeur nominale de vitesse. 5. Fonctionnement en parallèle avec un réseau interconnecté La génératrice asynchrone est plus avantageuse qu’une génératrice synchrone pour des puissances jusqu’à 50 kVA.9 Inertie • Machine asynchrone : Faible inertie. à condition de pouvoir accepter des variations de fréquence et de tension (voir chapitre 4 et paragraphe 5. on peut bobiner spécialement les machines.6). le fonctionnement d’un moteur asynchrone industriel en génératrice est possible avec des capacités et une charge ballast. comme cela a été spéciﬁé précédemment.2.3 Comparaison des coûts à l’investissement Pour que la comparaison des prix à l’achat soit valable. Pour l’améliorer. Les valeurs de survitesse élevées. voire 100 kVA. Comparaison entre les générateurs synchrone et asynchrone Le rendement est inférieur à celui des machines synchrones. Certes. • Machine synchrone : Inertie plus grande que pour les machines asynchrones. sur le marché.nN – Machines à 2 pôles : nmax = 1. Toutefois.
2 6.2. Informations concernant le cahier des charges d'un générateur 6.4 Introduction Informations à soumettre au fournisseur Informations générales Spéciﬁcations du générateur Accessoires spéciﬁés de cas en cas Documents / informations à recevoir avec l'offre Vériﬁcation des performances 89 89 89 89 89 90 90 87 . Informations concernant le cahier des charges d'un générateur 6.2.3 6.1 6.2.2 6.6.3 6.1 6.
axe horizontal ou vertical.2. ces charges seront indiquées). en particulier si la machine électrique est indépendante mécaniquement de la turbine (par exemple s’il y a un multiplicateur de vitesse à courroie). Francis. Ceci n’empêche pas le client de faire lui-même une comparaison qualité / prix de générateurs de provenances différentes et d’imposer ﬁnalement la machine électrique de son choix au turbinier. lisses ou à roulements . Fonctionnement de la centrale : – en parallèle sur le réseau ou en régime isolé. Dans ce cas. Kaplan. – environnement (humidité.2 Spéciﬁcations du générateur Généralement. signal pour détection survitesse et pour détection instant d'enclenchement d'un générateur asynchrone sur le réseau) • Sonde température bobinage (protection suréchauffement) • Sonde température paliers (protection paliers) • Capteur de vibrations des paliers (éventuel) 89 .2. étoile si liaison avec conducteur neutre désirée). Conditions d’exploitation : – service permanent ou intermittent . – température ambiante maximale dans la centrale. la puissance nominale d’un générateur doit être diminuée pour tenir compte de la réduction de l’efﬁcacité du refroidissement. accouplement direct. – lubriﬁcation : huile. autre) – disposition du groupe: . .1 Informations à soumettre au fournisseur Informations générales Données du site : – situation géographique . • Sonde tachymétrique (mesure vitesse. – durée de vie calculée des paliers . L’achat direct d’un générateur est aussi possible. – paliers standard ou renforcés (en fonction des charges élevées dues à la tension d’une courroie de transmission ou d’une roue de turbine . – couplage du bobinage (étoile ou triangle. Crossﬂow. – types de paliers. Type : – synchrone ou asynchrone Données en liaison avec la turbine : – puissance mécanique à l’arbre . le générateur fait partie de la fourniture du fabricant de turbine. 6. Informations concernant le cahier des charges d'un générateur 6. – degré de protection IP. Données en liaison avec le réseau électrique : – tension nominale avec variation relative tolérée . – nombre de phases . le fabricant de la turbine porte la responsabilité globale tant au point de vue de la garantie des rendements que de la tenue mécanique du groupe. entraînement via multiplicateur. Données en liaison avec l’environnement : – classe d’isolation (peut aussi être proposée par le constructeur) . – fréquence .6. Turbine : Type (Pelton.1 Introduction 6. – 2e bout d’arbre (par exemple pour recevoir un volant d’inertie dont le poids et le diamètre seront indiqués) .monobloc. – altitude de la centrale.3 Accessoires spéciﬁés de cas en cas 6. – vitesse et durée d’emballement . Informations concernant le cahier des charges d'un générateur 6. condensation. Données en liaison avec l'exécution mécanique et son montage sur la turbine: – bout d’arbre normal ou allongé pour recevoir la roue de la turbine . poussière…). – vitesse de rotation . ce qui a l’avantage de bien déﬁnir les responsabilités.2 6. graisse . Remarque : si l’altitude est supérieure à 1000 m et / ou la température à 40°.2.
4 Vériﬁcation des performances Certains constructeurs de générateurs disposent de bancs d’essai qui permettent une vériﬁcation directe des performances en présence du client.2) • Dessin d’encombrement et poids • Moment d’inertie du rotor • Rendements garantis en fonction de la puissance • Facteur de puissance (cos ϕ) garanti en fonction de la puissance • Autres paramètres électriques utiles tels que courant à vide et en court-circuit. En effet. 6. 6.6.3 Documents / informations à recevoir avec l’offre • Fabricant. éventuel multiplicateur et générateur). 90 . Il est utile de faire usage de cette possibilité. type et désignation de la machine • Spéciﬁcations et descriptifs techniques (réponses en fonction du § 6. car une mesure précise du rendement du générateur permet d’éviter tout conﬂit avec le turbinier au moment des essais de réception sur site. Connaissant avec précision le rendement du générateur. ceux-ci ne permettent que la mesure du rendement total (turbine. il est possible d’en déduire avec exactitude le rendement de la turbine. Informations concernant le cahier des charges d'un générateur • Module de réglage pour fonctionnement parallèle (générateur synchrone) • Régulateur de tension (générateur synchrone en îlot).
4.4.9 7.1 7.5.1 7.4.2 7.4 7.4.5 7.3 7.2.10 7.6 Bases légales Dangers de l’électricité Effets du courant électrique sur le corps humain Sécurité des personnes Sécurité des choses Protection complémentaire Protection des installations Conditions générales Sélectivité entre coupe-surintensité Protection des machines tournantes Surcharge Surintensité Marche en parallèle avec le réseau Traitement du point neutre Protection contre les défauts d’isolement Réglage de tension (type de régulateur) Liaisons équipotentielles Protection atmosphérique Liste des appareils de commande.6 7.5.4 7.1 7.8 7.5 7.7 7.3 7.2 7.5.1 7.5.2 7.2 7.4.4.4.3 7.3.4.2.3 7.3. Protection et sécurité des installations 7.4 7.7.2.4. Protection et sécurité des installations 7.4.2.5.5.1 7. de protection et de lecture Liste des dispositifs donnant un arrêt d’urgence Obligations juridiques Obligation de présenter un projet Déﬁnitions Critères d’augmentation du danger par une installation de production d’énergie Personnes autorisées à installer Personnes autorisées à contrôler Contrôles périodiques 93 96 96 97 98 98 100 100 100 102 102 103 103 103 105 105 106 106 107 109 110 110 112 113 113 113 113 91 .2 7.5 7.4 7.
la modiﬁcation. les ordonnances correspondantes et les règles techniques reconnues doivent être appliquées. Nombre de promoteurs ou propriétaires de petites centrales de production d’énergie électrique ne sont pas des électriciens et ne connaissent souvent pas les dangers et les prescriptions qui sont liés à ce type d'installation. Protection et sécurité des installations 7. Protection et sécurité des installations 7. 93 .1 Bases légales Pour l’exécution. Il est de ce fait un devoir des personnes qui mettent ces installations sur le marché d’informer leurs clients sur les dangers et les prescriptions découlant des lois et ordonnances en vigueur. l’entretien et le contrôle de petites centrales de production d’énergie électrique.7.
0987 STI 232. ordonnances et prescriptions appliquées aux installations électriques de production Loi fédérale concernant les installations électriques à faible et à fort courant Ordonnance sur les installations électriques à courant fort Ordonnance sur les installations électriques à basse tension Ordonnance sur les matériels électriques à basse tension Ordonnance sur la procédure d’approbation des projets d’installations à courant fort Ordonnance sur l’Inspection fédérale des installations à courant fort RS 734. 2 & 3 94 .1081 STI 229.26 LIE OICF OIBT OMBT RS 734.0 RS 734.1289 Normes techniques ASE Installations à basse tension NS ASE 1000-1.24 OPIC OIFICF Communications de l’Inspection fédérale des installations à courant fort (IFICF) Marche en parallèle de générateurs électriques avec les réseaux basse tension Installations de production d’énergie à basse tension La sécurité et l’obligation de présenter un projet pour de petites installations de production d’énergie STI 219.7.25 RS 734.27 RS 734.2 RS 734. Protection et sécurité des installations Loi.
20) exige que l’employeur prenne. Peuple et cantons CONSTITUTION FÉDÉRALE LOIS SUR LES INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES LIE ORDONNANCES OICF/OITB/OMBT/OPIC/ OLEL/OIFICF RÈGLES TECHNIQUES RECONNUES EX: NORMES SUR LES INSTALLATIONS À BASSE TENSION (NIBT) Assemblée fédérale (et peuple) Conseil fédéral CEI/CENELEC/ASE Commissions techniques Figure 7. les normes de sécurité découlant de la Loi sur l’assurance accidents (LAA) doivent être respectées. L’article 82 de la LAA (RS 832. ce qui entraîne une diminution de la sécurité pour le personnel lors de l’exploitation et l’entretien. pour prévenir les accidents et maladies professionnels. toutes les mesures dont l’expérience a démontré la nécessité. que l’état de la technique permet d’appliquer et qui sont adaptées aux conditions données.1: Normalisation dans l'électricité 95 . Des réalisateurs ne prennent parfois que le critère coût en considération.7. Protection et sécurité des installations En plus des normes électriques.
Lorsque le courant passe dans le corps par une surface réduite. La crispation atteint le plus souvent un degré tel qu’on ne peut se libérer d’un objet sous tension saisi à pleine main. Il provoque des ﬁbrillations ventriculaires. ce qui engendre localement une forte élévation de température provoquant une petite brûlure. les victimes perdent bientôt connaissance. Comme les muscles respiratoires sont également atteints. Le courant traversant le corps produit aussi des effets thermiques. il n’est pas surprenant que les techniciens en matière de sécurité cherchent à munir d’un isolement supplémentaire les parties saisissables des installations électriques. mais aussi celle du cœur (myocarde).5 mA non perceptible 7.2 7. Bien souvent de telles marques de courant ne sont pas sans gravité. une forte densité de courant se produit à l’endroit de pénétration. la personne est soumise à une tension de 230 volts.2. L’intensité du courant qui traverse la personne sous 230 volts est de l’ordre de 230 mA à 300 mA. Cela étant. En touchant un conducteur polaire de nos installations de distribution basse tension 400 /230 volts. c’est-àdire des mouvements spasmodiques désordonnés de certaines ﬁbres du myocarde. Comme on le sait. ou plus exactement à un processus électrochimique. Protection et sécurité des installations 0.2: Effets physiologiques du courant à 50 Hz 96 . Le courant traversant le corps inﬂuence non seulement la musculature du squelette. Seul tétanisation des muscles 80 mA ﬁbrillation MORT Figure 7. la fonction du cœur est liée à un processus électrique.1 Dangers de l’électricité Effets du courant électrique sur le corps humain fourmillement 3 mA limite de lâcher 15 mA 40 mA Le courant électrique a pour effet d’exciter et de contracter les muscles qu’il traverse. La résistance de passage du courant à travers le corps humain est entre 750 et 1000 ohms. la victime se trouve en danger de mort.7. car elles pénètrent profondément dans la peau et les tissus détruits de la peau et de la chair forment des foyers d’infections. Un courant d’intensité sufﬁsante provenant de l’extérieur et qui traverse le myocarde trouble le rythme cardiaque. De faibles impulsions de courant émanant du centre cardiorégulateur font en sorte que le myocarde se contracte à intervalles réguliers. Comme dans ce cas la circulation sanguine est pratiquement interrompue.
3).4: Mode de protection 97 . Pour les installations de tension supérieure à 50 V. A défaut. ils ne doivent mettre en danger ni les personnes. Pour les organes à manœuvrer.2 Sécurité des personnes Figure 7. elle est considérée comme satisfaite si tout contact involontaire avec des organes sous tension paraît Mise à la terre L1-L3 N PE directe Schéma IT Point neutre isolé Figure 7. entretenus et contrôlés selon les ordonnances et les règles techniques reconnues.3: Protection par disjoncteur à courant de défaut Les installations à courant fort et les équipements électriques qui y sont raccordés doivent être établis. Lorsque les ordonnances ne prescrivent rien. on utilisera les normes applicables par analogie. l’organe de contrôle compétent tranche. cette condition doit être remplie même en cas de défaut de l’isolation fonctionnelle.7. Il est recommandé de raccorder vos installations mobiles et transportables par l’intermédiaire d’un disjoncteur à courant de défaut (FI). Protection et sécurité des installations un disjoncteur à courant de défaut est capable de détecter ce courant si ce dernier circule par le conducteur de protection ou par une surface conductrice mise à terre (ﬁgure 7. modiﬁés.2. on s’en tiendra aux normes techniques de l’Association suisse des électriciens (ASE) et aux prescriptions techniques des Telecom (PTT). En cas de doute. S’il n’existe pas de normes techniques spéciﬁques. Station Cabine Mise au neutre Installation intérieure L1-L3 N PE Schéma TN Station Cabine Mise à la terre directe Installation intérieure L1-L3 N PE Schéma TT Station Cabine Installation intérieure Principe de protection des personnes Les installations doivent être disposées et exécutées de telle sorte qu’aucun courant de contact dangereux ne puisse s’établir. avec un courant nominal de déclenchement ne dépassant pas 30 mA. L’exigence de principe est considérée comme satisfaite si la tension de service ne dépasse pas 50 V. Sont réputées règles techniques reconnues en particulier les normes techniques internationales harmonisées. on s’en tiendra aux règles techniques reconnues. Lorsqu’ils sont utilisés ou exploités conformément à leur destination ainsi qu’en cas de perturbation prévisible. ni les choses. Il consulte au préalable d’autres organes de contrôle concernés. L N PE 7.
5 mA . la mise à la terre directe ou le couplage de protection. pour enﬂammer ce dernier. Ces effets doivent paraître exclus même en cas de défaut prévisible du matériel. aﬁn de limiter le courant de contact à une valeur sufﬁsamment faible . – la mise au neutre ou la mise à la terre directe. Il est à relever qu’il sufﬁt de l’énergie dégagée par le passage d’un courant de 0. – la mise au neutre. – tension de défaut ne pouvant pas excéder 50 V. circulant au travers du bois tendre humide.6: Couplage de protection à courant de défaut La protection contre des tensions dangereuses est assurée en principe dans nos installations par la mise au neutre et les liaisons équipotentielles entre carcasses métalliques d’appareils et parties métal- 98 .5 A. l’une des conditions suivantes est réalisée : – courant de contact à 50 Hz ne pouvant pas dépasser 0. 7.3 Sécurité des choses Figure 7. Protection et sécurité des installations L 220 V N PE 220 V exclu et si.4) . – tension de défaut supérieure à 50 V ne pouvant pas se maintenir pendant plus de 5 secondes. les mesures de protection suivantes entrent en ligne de compte : – la surisolation ou l’emplacement isolant.5). 7. – la protection par séparation. aﬁn de limiter la tension de défaut à une valeur sufﬁsamment basse (ﬁgure 7. en outre.7) . aﬁn de limiter la durée des tensions de défaut ou des courants de défaut inadmissibles (ﬁgures 7. aﬁn de limiter sufﬁsamment le courant de contact dans certaines parties d’installation (ﬁgure 7. comme aussi en cas de manipulation erronée ou négligente. Mesures de protection Pour satisfaire aux exigences de la protection des personnes.5: Protection par séparation Les installations doivent être disposées. mais prévisible.6 et 7.7. les ﬂammes et arcs prévisibles qui peuvent s’y produire ne risquent pas de mettre le feu à l’entourage. exécutées et utilisées de telle sorte que les échauffements.4 Protection complémentaire Figure 7.2.2.
le courant de défaut n’atteint parfois pas la valeur de seuil nécessaire à faire fonctionner les dispositifs de protection de lignes. Il est autorisé d’appliquer la mise au neutre dans une installation à condition qu’à l’introduction du bâtiment le conducteur PEN (neutre) soit relié à une électrode de terre . c'est-à-dire en vue de garantir les conditions de mise au neutre 2. par exemple I∆ ≤ 300 mA 99 .8: Principe de la triple sécurité avec mise au neutre 1. Protection et sécurité des installations liques du bâtiment. Disjoncteur à courant de défaut sélectif pour la protection d'incendie.7: Couplage de protection à tension de défaut 6 L PEN I∆ s 1 2 I∆ 5 4 1 3 PE Figure 7. condition qui ﬁxe le potentiel du bâtiment par rapport à la terre de référence (ﬁgure 7. Dispositif de la protection contre les surintensités. la sécurité des personnes ne peut être garantie qu’à la condition que toutes les parties conductrices tangibles d’appareils soient reliées entre elles au moyen d’un conducteur d’équipotentiel (ﬁgure 7. La protection par séparation se fait sur une partie restreinte d’une installation et elle est obtenue au moyen d’un transformateur de séparation. Si deux ou trois appareils sont branchés par transformateur d’isolement.7) .4).5). Disjoncteur à courant de défaut pour la protection supplémentaire I∆ ≤ 30 mA 3. – à surveillance d’isolation. – à tension de défaut FU (ﬁgure 7. il y a lieu de ne connecter qu’un seul appareil par transformateur. Ces défauts peuvent être détectés par des disjoncteurs de protection : – à courant de défaut FI (ﬁgure 7. Wh FU T Figure 7. En cas de défaut d’isolement dans un appareil ou sur une installation.7.6) . Appareil d'exploitation mis à la terre et raccordé à demeure 5. Barre collective de liaison équipotentielle 4. Prise de courant avec mise au neutre et protection supplémentaire 6. Pour obtenir une protection à 100 %.
Lorsque les effets d’arcs mettent des personnes en danger immédiat. les détériorations résultant des courants de surcharge.7. Protection et sécurité des installations 7.). 100 . on placera des dispositifs qui limitent autant que possible.3 Protection des installations Conditions générales 7. Il faudra empêcher que les arcs ne puissent s’étendre. etc. les dispositifs de protection contre les surintensités devront être. Changement des conditions Si. on prendra des mesures de protection spéciales (coffrages. par déclenchement.3. de transformation. on tiendra compte du mode de mise à terre du point neutre.1 Toutes les parties d’une installation à courant fort doivent être construites de façon à résister aux sollicitations mécaniques et thermiques pouvant les frapper en régime de service ou en cas de court-circuit et de défaut à la terre. par suite d’extension. 7. revêtements de protection. Les installations électriques doivent être construites de sorte que les perturbations et les détériorations dues aux arcs soient limitées au minimum. – les disjoncteurs (protecteurs) de canalisation .3. – les disjoncteurs (protecteurs) de moteur.2 Sélectivité entre coupe-surintensité Les genres de coupe-surintensité suivants entrent en ligne de compte : – les coupe-circuit à fusible . de remise en état ou sous l’effet de la présence d’autres ouvrages. les conditions se trouvent modiﬁées à l’intérieur d’une installation à courant fort. au besoin. adaptés sans retard à la nouvelle situation. de courts-circuits et de défaut à la terre. Déclenchement Dans les installations à courant fort.
7.9: Sélectivité entre coupe-surintensité Les coupe-circuit 40 et 63 AT ne sont pas sélectifs entre 0. Les courbes représentent la caractéristique de fusion des cartouches fusibles et de déclenchement du disjoncteur 101 . Les courbes de dispersion se recoupent.1 ms et 4 ms.1 ms 10 100 1000 10 000 A 16 A car.1s 10 ms 1 ms 0. Protection et sécurité des installations Temps 1000 s 100 s 10 s 1s 0. L 160 A 63 AT 40 AT HPC D III D III Disjoncteur Figure 7.
valeurs données par les instruments. La courbe de déclenchement doit correspondre à celle donnée par le fabricant de l’alternateur. La sélectivité avec les protections de lignes des consommateurs devient ainsi impossible.7. Durée de fusion 2. Avec un courant nominal égal à celui de l’alternateur. Durée de l'arc 2'. Retard dû au système mécanique 7. Une cartouche fusible interrompt le circuit plus rapi- 102 . autant que possible. Les valeurs de consigne de réglage pour la protection sont les courants et les tensions apparents. Durée de l'arc disjoncteur HPC 3. Elle doit assurer la fourniture d’énergie et ne doit se déclencher que si les dispositifs de sécurité entre eux et les consommateurs n’ont pas fonctionné dans les temps de réglage.10: Temps de coupure de l'arc 1. La protection thermique au moyen de cartouches fusibles n’est pas possible. Durée totale de déclenchement 4. – que l'intensité nominale corresponde à la valeur maximum admissible selon les normes en fonction de la section de la ligne à protéger. Coupe-circuit 7. que la partie perturbée de l’installation . les fusibles ne supportent pas les grands courants d’appel des consommateurs. Durée de magnétisation 5. ni en service normal . L’intensité nominale de consigne et le degré de retardement des coupe-surintensité doivent être choisis ou réglés de façon : – qu’ils ne déclenchent ni au cours des démarrages. – qu’en cas de surcharge ils ne déclenchent.1 Surcharge La protection des alternateurs contre les surcharges ne peut se faire qu’au moyen de relais thermiques.4 Disjoncteur Protection des machines tournantes Une machine tournante comme unité de production d’énergie a d’autres critères de protection qu’un moteur. La durée de surcharge ne doit pas provoquer un échauffement dangereux des isolants. Figure 7. Protection et sécurité des installations La tension nominale du coupe-surintensité doit être au moins égale à la tension nominale du circuit qu’il protège.4.
8 1 2 4 6 10 20 40 60 100 Multiple du courant réglé Ief Le point neutre des alternateurs asynchrones doit rester isolé par rapport au réseau de distribution comme pour un moteur. Pour une marche en parallèle avec le réseau. Protection et sécurité des installations dement qu’un disjoncteur avec un courant de défaut de même valeur. La deuxième solution permet le réglage de la sélectivité par rapport aux protections de lignes des consommateurs. 7.3 Marche en parallèle avec le réseau 100 10 1 1 Temps de déclenchement [s] 3 0.1 2 0. Courant de fusion moyen de cartouches fusibles.4 Traitement du point neutre 0. Il est recommandé d’isoler le point neutre des alternateurs synchrones lors de la marche en parallèle avec le réseau. Courant de fonctionnement moyen du déclencheur magnétique 3.2 Surintensité 10 000 1h 1000 La protection contre les courts-circuits peut se faire au moyen de cartouches fusibles ou de relais magnétiques avec un seuil de réglage en valeur de courant et en temps de déclenchement.4. Pour la marche en îlot.4 seconde.4. Courant de fonctionnement moyen du déclencheur thermique de surcharge 2. Il y a lieu de verrouiller l’ouverture du contacteur réseau jusqu’à la position fermée du contacteur du point neutre. la protection de l’alternateur doit fonctionner avec un défaut entre l’alternateur et le dispositif de protection. Figure 7.4.01 Les installations de production d’énergie électrique en parallèle avec le réseau doivent être conçues de telle façon qu’en cas de déclenchement du réseau elles se déconnectent automatiquement d’une manière rapide et sûre et qu’elles ne peuvent être réenclenchées que si le réseau est sous tension. le point neutre de la machine doit être relié au réseau de distribution.11: Caractéristique de temps/courant 1.7. disjoncteur 5 secondes) 7. (exemple : Icc 6 fois In = fusible 0. De ce fait. Une différence de charge de plus de 33 % entre phases peut provoquer une surtension plus grande que 10 % dans les circuits monophasés lorsque le point neutre est ouvert. Cette condition doit être remplie si l’énergie produite est consommée dans la partie déconnectée. Multiple du courant nominal de la cartouche 103 . Le courant de court-circuit du réseau traversera inversement le dispositif de protection de l’alternateur. 7. aucun courant d’harmonique de rang 3 ne circule dans les enroulements de l’alternateur.001 0.
Protection et sécurité des installations 104 Consommateur Transformateur Mise au neutre selon schéma TNS PE Coupe-circuit d'introduction bâtiment Générateur Production en parallèle avec le réseau Consommateur Mise au neutre selon schéma TNS Transformateur Générateur Coupe-circuit d'introduction bâtiment Production en îlot Figure 7.7.12: Traitement du point neutre .
Protection et sécurité des installations 7. ni de tension. Alternateurs synchrones La commande et la surveillance des alternateurs synchrones exigent un régulateur de vitesse et de tension. ainsi qu’un appareil de synchronisation pour le raccordement sur le réseau. Pour les petits alternateurs asynchrones jusqu’à un courant nominal de 63 A. La vitesse synchrone pour le raccordement sur le réseau peut être ﬁxée au moyen d’une position d’arrêt temporaire sur le limiteur d’ouverture au démarrage de la vanne ou du pointeau.13: Protection contre les défauts d'isolement par FI 105 .4. si la machine n’est pas surcompensée.4. un courant circule entre le défaut et le point neutre du transformateur pour se fermer par les autres phases (ﬁgure 7. elle ne peut plus fournir d’énergie sur le réseau et elle part en survitesse. Le régulateur de puissance agit sur le limiteur d’ouverture de la vanne ou du pointeau en fonction du niveau d’eau.6 Réglage de tension (type de régulateur) Alternateurs asynchrones La commande et la surveillance des alternateurs asynchrones sont simples. PE FI 300 mA PEN 7. La tension du réseau varie de ± 10 % et le réglage de la tension pour les alternateurs synchrones doit se faire sur l’angle de déphasage du courant sur la tension Transformateur réseau Figure 7. Lors d’un défaut d’isolement entre le disjoncteur à courant de défaut et le point neutre de l’alternateur.5 Protection contre les défauts d’isolement Alternateur Pour les plus grands alternateurs.7. une surveillance d’isolation peut se faire au moyen d’un disjoncteur de protection à courant de défaut avec un courant nominal de déclenchement par défaut de 300 mA. Lors d’une coupure du réseau.13). Elles n’exigent aucun régulateur de vitesse. Les critères de choix pour l’installation d’une telle protection sont la valeur de l’alternateur et de l’investissement. une protection différentielle sera installée entre la mesure du courant dans le point neutre et la mesure du courant dans la ligne de l’alternateur au point d’injection. La tension aux bornes de l’alternateur varie et elle est donnée par le réseau.
Ce type d’alternateur est choisi en règle générale pour une marche en îlot. 7. lors des révisions de la vanne et de la turbine. les variations de tension du réseau peuvent provoquer des surintensités sur les machines par courants capacitifs ou inductifs. 7. les isolations et les dispositifs de protection contre les surtensions d’une installation doivent être conçus selon les règles techniques reconnues de sorte que les effets de surtensions d’origine interne ou externe n'engendrent ni risque ni dommage. Protection et sécurité des installations (cos ϕ).7 Liaisons équipotentielles Toutes les parties métalliques conductrices doivent être reliées au conducteur principal d’équipotentialité du bâtiment. A défaut d’un tel régulateur. la turbine et l’alternateur.4.4.7. une liaison équipotentielle doit être établie entre la conduite forcée avant la vanne d’entrée. 106 . Ces liaisons doivent être posées de manière telle que.8 Protection atmosphérique Les distances. Pour éviter des brûlures par arc sur les paliers. elles restent en place et elles assurent leur fonction de protection pour les personnes.
impédance Relais de protection min.9 Liste des appareils de commande. fréquence Hz Relais retour d'énergie Différentiel Terre rotorique Relais min.7. tension Max. d'excitation Survitesse mécanique Instruments Ampèremètre générateur Voltmètre générateur Voltmètre réseau Wattmètre Varmètre Fréquencemètre Cos ϕ-mètre Compteur d'énergie active Compteur d'énergie réactive Synchroscope Voltmètre différentiel Fréquencemètre différentiel Ampèremètre excitation Voltmètre excitation Limiteur d'ouverture de charge Asynchrone 1 à 500 kVA non non oui non oui oui oui oui oui non non oui non à choix oui oui non à choix à choix non à choix oui à choix non non non non non non Synchrone 1 à 500 kVA oui oui oui oui oui oui oui oui oui à choix à choix oui à choix à choix oui oui oui à choix à choix oui oui oui à choix oui oui oui à choix à choix non Synchrone plus de 500 kVA oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui 107 . et min. Protection et sécurité des installations 7. et min. de protection et de lecture Alternateur Puissance Régulateur Régulateur de vitesse Régulateur de tension en fonction du cos ϕ Régulateur de charge en fonction du niveau d’eau Synchrotact automatique Relais de protection Surcharge Ith Surintensité Icc Max.4.
Syn ff vv n> n V= Synchrone A= Régulateur U I protection Figure 7. Protection et sécurité des installations Transformateur Réseau Coupe-circuit d'introduction bâtiment R U réseau Commande de déclenchement Consommateurs G Commande de déclenchement I> I> I I W ← <Exc <U> <f> df dϕ dt dt ∆I <U U I différentiel I mesure I réglage kWh kVarh W Var ϕ A V f Synchro auto.14: Protection de l'alternateur 108 .7.
trop haute Niveau d’eau à la centrale trop haut Déclenchement CO2 manuel Manque de tension de commande Température paliers trop haute Asynchrone 1 à 500 kVA oui oui oui non – – – – oui oui oui oui oui non non non à choix à choix à choix à choix oui à choix Synchrone 1 à 500 kVA oui oui oui non – – – à choix oui oui oui oui oui à choix oui à choix à choix à choix à choix à choix oui à choix Synchrone Plus de 500 kVA oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui oui * Arrêt d’urgence avec déclenchement de l’alternateur du réseau Chaque arrêt d’urgence entraîne la mise en hors-service du groupe turbogénérateur. 2. et max. stator trop haute Température air de refroid. Fermeture du pointeau ou du distributeur de la turbine.4. déclenchement de l’alternateur du réseau à la position de la vanne pour la synchronisation.7. Avec déclenchement de l’alternateur du réseau et mise en service du déﬂecteur/vanne de sécurité.10 Liste des dispositifs donnant un arrêt d'urgence Alternateur Puissance Arrêt d’urgence *Manuel Survitesse Niveau eau minimum Fermeture accidentelle de la vanne Température huile turbine trop haute Niveau huile turbine minimum Défaut pression d’huile turbine *Différentiel *Surcharge thermique *Surintensité Icc *Tension min. 109 . *Impédance minimum *Retour d’énergie *Terre rotorique *Défaut d’excitation *Courant d’excitation trop élevé Température enroul. Avec cette action on évite des survitesses. Les arrêts d’urgence se classent en deux catégories : 1. Protection et sécurité des installations 7.
l’entretien et le contrôle.7. Protection et sécurité des installations 7. et Contrôles périodiques Voir paragraphe 7. on appliquera divers critères de prescriptions pour l’exécution.5 7.5. la modiﬁcation.1 Obligations juridiques Obligation de présenter un projet On distingue entre: Devoir d’annonce / contrôle initial Même si la production d’énergie est faite sous une tension de 230 ou de 400 V et qu’elle est injectée dans une installation intérieure avec une tension maximum admissible. les installations de production d’énergie ne sont pas toutes soumises aux mêmes critères.5. Selon le potentiel de mise en danger ou de dérangement de telles installations.6 Contrôles périodiques 110 .
Il existe un contrat type qui peut être obtenu auprès du Département fédéral des transports et communication et de l’énergie. Il y a lieu de porter une attention particulière à la construction des machines de production ou de transformation d’énergie aﬁn que les perturbations produites restent dans des valeurs admissibles. 3003 Berne Installations fonctionnant en – doivent être annoncées par leur exploitant à l’Inspection fédérale des insîlot sans raccordement avec tallations à courant fort (sans émolument) un réseau de distribution – ne sont pas soumises à l’obligation de présenter un projet (OPIC) – sont soumises à la justiﬁcation selon l'Ordonnance sur les matériels électriques à basse tension (OMBT) – l’exploitant est l’entreprise astreinte aux contrôles (OIBT) 111 . Le raccordement sur le réseau de distribution requiert une autorisation de raccordement et d’exploitation du distributeur. Protection et sécurité des installations Fonctionnement en parallèle avec le réseau Puissance maximum triphasée plus petite que ≤ 10 kVA ou ≤ 3. Les conditions de raccordement et d’exploitation.3 kVA monophasée Toutes les installations de Les installations de production d’énergie électrique en parallèle avec un production en parallèle avec réseau doivent être conçues de telle façon qu’en cas de déclenchement du le réseau réseau elles se déconnectent automatiquement d’une manière rapide et sûre et qu’elles ne peuvent être réenclenchées que si le réseau est sous tension. ainsi que les contrôles périodiques sont pris en commun accord sur la base de règlements du distributeur.7. Les conditions de protection et de mise au neutre doivent être remplies.3 kVA monophasée – sont assimilées aux installations électriques intérieures (NIBT) – ne sont pas soumises à l’obligation de présenter un projet si elles se trouvent sur la propriété de l’exploitant (OPIC) – sont soumises à la justiﬁcation selon Ordonnance sur les matériels électriques à basse tension (OMBT) – requièrent une autorisation de raccordement de distributeur d’énergie – le distributeur d’énergie est l’entreprise astreinte aux contrôles OIBT – ne sont pas assimilées aux installations électriques intérieures (OIBT) – sont soumises à l’obligation de présenter un projet (OPIC) (l’émolument dépend de la valeur de l’installation (OIFICF)) – sont soumises à la justiﬁcation selon Ordonnance sur les matériels électriques à basse tension (OMBT) – requièrent une autorisation de raccordement de distributeur d’énergie – le distributeur d’énergie est l’entreprise astreinte aux contrôles (OIBT) Fonctionnement en parallèle avec le réseau Puissance maximum triphasée plus grande que > 10 kVA ou > 3.
Entre autres : – formulaire installation de production d’énergie (à demander à l’IFICF). Certains matériels sont soumis au régime de l’approbation. – inﬂuences probables avec ou par d’autres installations existantes. Le matériel approuvé doit porter le signe distinctif de sécurité (OMTB). c’est l’exploitant qui est responsable de l’exécution du contrôle de sécurité de ces installations. Protection et sécurité des installations 7. Ceci peut être justiﬁé par un certiﬁcat d’une station d’essais reconnue. – lieu et emplacement de la nouvelle installation ainsi que les liaisons avec les installations existantes. la justiﬁcation doit montrer que celles-ci ne peuvent mettre en danger ni les personnes ni les choses et qu’elles ne perturbent pas d’autres installations. Les travaux ne peuvent être entrepris que lorsque le requérant est en possession de l’approbation du projet Astreint aux contrôles Astreint aux contrôle se rapporte à toute l’installation.2 Déﬁnitions Obligation de présenter un projet On doit soumettre un projet à l’IFICF comprenant tous les documents en double qui sont nécessaires pour établir un jugement.5. Soumis à la justiﬁcation Ce sont les appareils qui sont soumis à la justiﬁcation et cette dernière est comprise dans l’obligation de contrôle. y compris les consommateurs raccordés à l’installation de production.7. Il doit pouvoir se justiﬁer auprès de l’IFICF. Pour les installations de production en îlot. Pour les installations de production. – autorisations ou accords écrits. Signe distinctif suisse de sécurité 112 . Des contrôles de vériﬁcation peuvent être entrepris par l’IFICF (avec émoluments) (LIE et OIFICF). – toutes les dispositions de sécurité en relation avec la marche en parallèle.
Sont autorisées à installer des installations de production d’énergie électrique en îlot et des installations aux consommateurs les personnes qui remplissent les conditions d’homme de métier dans le sens de l’art. 113 . tous les 1. selon la catégorie. 7. La périodicité des contrôles dépend du genre d’installation de consommation et ils doivent être effectués.4 Personnes autorisées à installer Seules les personnes qui sont au bénéﬁce d’une autorisation d’installer du distributeur sont autorisées à raccorder les installations de production d’énergie avec marche en parallèle sur le réseau (art. chiffre 3 de l’OIBT.3 Critères d’augmentation du danger par une installation de production d’énergie 7.5. de forts courants d’harmoniques de rang 3 peuvent circuler dans le conducteur neutre et augmenter les échauffements de l’alternateur et du conducteur neutre. Protection et sécurité des installations 7. 9. 32 de l’OIBT peuvent être chargées de ce travail. – Augmentation de la tension au point de raccordement et dans l’installation selon la chute de tension dans la ligne d’alimentation de l’installation à laquelle elle est raccordée. en cas de charge non équilibrée plus grande que 33 %.6 Contrôles périodiques – Augmentation de la puissance de court-circuit au point de raccordement et dans l’installation de distribution raccordée. 7. 8 de l’OIBT). seules des personnes autorisées au sens de l’art. – Surtension monophasée de plus de 10 % en cas d’ouverture des conducteurs polaires en liaison avec le transformateur avant la fermeture du conducteur neutre. 34 de l’OIBT.5. Les installations électriques doivent être contrôlées à des intervalles de temps réguliers selon l’art.5.5 Personnes autorisées à contrôler Pour les contrôles périodiques. 5. – Augmentation de l’effet dynamique dans l’installation de distribution en cas de court-circuit. Ce contrôle se rapporte à l’ensemble des installations basse tension (production et consommation). 10 ou 20 ans.5. – Selon le traitement du point neutre.7.
Edition Georgi Lausanne.-P. Moreau. Chapallaz . Edition Eyrolles Paris. Lafargue. Lafargue. Rapport interne EPFL/LEME. Dubos. 1991 • CEI 34 (Commission Electrotechnique Internationale) : Machines électriques tournantes 34-1 : Caractéristiques assignées et caractéristiques de fonctionnement 34-5 : Classiﬁcation des degrés de protection procurés par les enveloppes 34-7 : Symboles pour les formes de construction et les dispositions de montage 34-8 : Marques d’extrémités et sens de rotation des machines tournantes • Moteurs asynchrones triphasés : Connaissances de base et dimensionnement BBC-Normelec . Dos Ghali. L. Edition Nathan Paris. Edition Spès Dunod Lausanne. R. Fischer.1986 . J. Saint-Jean.-P. Moreau. Jeanrenaud. P.Bibliographie Bibliographie • Traité d’Electricité.-M. J. Bory.Deutsches Zentrum für Entwicklungstechnologien – Gate – Vieweg 1992 • Charge adaptative. R. J. 1983 • Electrotechnique. B. 1976 • Electrotechnique et machines électriques. transformateurs. MHPG Series Harnessing Water Power on a Small Scale Volume 10 . 1994 • Electricité. J. R. 1990 115 . Moreau. Edition Nathan Paris. Eichenberger. Dubos. Rapport interne EPFL/LEME. Ludwig. Merat. J.. Lausanne. R. M. 1973 • Electrotechnique et machines électriques. L. 1984 • Electricité appliquée Exercices. R.VNM-8610-1500F-CBM • Manual on induction motors used as generators. moteurs électriques. le Goff. R. Lafargue. J. Dos Ghali. Edition Nathan Paris. J. lois générales et machines. J. J. X. 1994 • Electrotechnique. Allay.P. Niard. vol. J. Ratovoharisoa. J. Cardoletti. courant alternatif. Edition Nathan Technique Paris. le Goff. A. Chatelain. R. courant continu. G. Merat. 1991 • Comportement d’une génératrice asynchrone triphasée sur une charge monophasée.
247.247.3 f – Régulation et sécurité d’exploitation 724.2 f – Générateurs et installations électriques 724.247.247.4 f – Le choix.1 f – Turbines hydrauliques 724.Associations de soutien ACS ADER ADUR ARPEA ASE / ETG ASPEE INFOENERGIE OFEL PROMES SIA SMSR SSIGE UCS UTS UVS Association des communes suisses Association pour le développement des énergies renouvelables Association des usiniers romands Association romande pour la protection des eaux et de l’air Société pour les techniques de l’énergie de l’ASE Association suisse des professionnels de l’épuration des eaux Centre de conseils Ofﬁce d’électricité de la Suisse romande Association des professionnels romands de l’énergie solaire Société suisse des ingénieurs et des architectes Société des meuniers de la Suisse romande Société suisse de l’industrie du gaz et des eaux Union des centrales suisses d’électricité Union technique suisse Union des villes suisses 724. le dimensionnement et les essais de réception d’une miniturbine ISBN 3-905232-54-5 ISBN 3-905232-55-3 ISBN 3-905232-56-1 ISBN 3-905232-57-X .
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