Générateurs et installations électriques

Office fdral des questions conjoncturellesNERGIES RENOUVELABLES

Gnrateurset installationslectriques

1995 724.247.2 f

Petites centrales hydrauliquesGnrateurs et installations lectriquesDe llectricit grce aux petites centraleshydrauliques une nergie propre quiprserve lenvironnement!

Il existe en Suisse un potentiel important dans ledomaine des petites centrales hydrauliques quipourrait savrer financirement intressant pour denombreuses communes, collectivits et industries.

Ce mode de production a malheureusement tnglig ces dernires dcennies, la priorit ayantt donne aux grandes centrales au fil de leau ou accumulation dans les Alpes.

Par le Programme daction nergies renouvelables(PACER) de lOffice fdral des questions conjonc-turelles, la Confdration a dcid dintervenir pourinciter les propritaires de droits deau, communes,administrations cantonales, ingnieurs, industrielset entrepreneurs sintresser cette forme deproduction dnergie et raliser des installations.Lobjectif est la promotion des technologies prou-ves des petites centrales hydrauliques (PCH) parune information objective et complte sur le sujetainsi que la formation dingnieurs et de techniciens.

La brochure Gnrateurs et installations lec-triques fait partie dun ensemble de quatre publi-cations techniques concernant la conception et laralisation de petites centrales hydrauliques: Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de

rception dune miniturbine

ISBN 3-905232-55-3

1995, 120 pagesN de commande 724.247.2 f

Conue comme document et en mme tempscomme outil pratique, elle est destine aider lesingnieurs et techniciens non spcialiss qui sontconcerns, dans le cadre de leur activit profes-sionnelle, par la conception et la ralisation dunepetite centrale hydraulique.

Les gnrateurs et les installations lectriques despetites centrales hydrauliques sont prsents dupoint de vue technique, le texte tant illustr par denombreuses figures et accompagn dexercices.

La brochure contient les informations suivantes : prsentation du systme PTDU (production

transport distribution utilisation) ; principes fondamentaux de llectricit ; description et fonctionnement des gnrateurs

synchrones et asynchrones; exploitation des gnrateurs en parallle sur un

rseau interconnect et en rseau isol. Surveil-lance et contrle;

critres de comparaison entre les gnrateurssynchrones et asynchrones pour un choix opti-mal;

tablissement dun cahier des charges dun gn-rateur;

protection et scurit des installations.

Petites centrales hydrauliques

Gnrateurs et installations lectriques


Programme d'action PACER Energies renouvelablesOffice fdral des questions conjoncturelles

Conception, rdaction et ralisation de l'di-tion franaise

Chapitres 1 5 J. Dos Ghali, ingnieur EPFL, 1015 Lausanne J.-P. Ludwig, ingnieur EPFL, 1015 Lausanne

Chapitre 6 J.-M. Chapallaz, ingnieur EPFL/SIA,

1450 Ste-Croix

Chapitre 7 Ed. Schopfer, ingnieur ETS, Inspection

fdrale des installations courant fort, 1000 Lausanne

Relecture technique du manuscrit F. Heer, ingnieur EPFL, 1450 Ste-Croix D. Richardet, ingnieur civil EPFL-SIA,

1400 Yverdon

Correcteur J.-C. Scheder, 1038 Bercher

Graphisme de la couverture Isabelle Schaaf Graphic Design, 1020 Renens

Mise en pages, photocomposition et flashage DAC, 1006 Lausanne et CITY COMP SA, 1110 Morges

Direction du projet et coordination J. Graf, ingnieur ETS, Fontanezier


Copyright Office fdral des questions conjoncturelles,3003 Berne, aot 1995.Reproduction d'extraits autorise avec indication de lasource.Diffusion: Coordination romande du programme d'actionConstruction et Energies EPFL-LESO, Case postale 12,1015 Lausanne (N de commande 724.247.2 f).

ISBN 3-905232-55-3

Form. 724.247.2 f 08.95 1000

Associations de soutien

Les organisations suivantes recommandent etsoutiennent la participation aux journes PACERPetites centrales hydrauliques.

ACS Association des communessuisses

ADER Association pour ledveloppement des nergiesrenouvelables

ADUR Association des usiniersromands

ARPEA Association romande pour laprotection des eaux et de lair

ASE/ETG Socit pour les techniques delnergie de lASE

ASPEE Association suisse desprofessionnels de lpurationdes eaux

INFOENERGIE Centre de conseilsOFEL Office dlectricit de la Suisse

romandePROMES Association des professionnels

romands de lnergie solaireSIA Socit suisse des ingnieurs et

des architectesSMSR Socit des meuniers de la

Suisse romandeSSIGE Socit suisse de lindustrie du

gaz et des eauxUCS Union des centrales suisses

dlectricitUTS Union technique suisseUVS Union des villes suisses

Dune dure totale de 6 ans (1990-1995), le Program-me daction Construction et Energie se composedes trois programmes dimpulsions suivants :

PI BAT Entretien et rnovation des constructionsRAVEL Utilisation rationnelle de llectricitPACER Energies renouvelables

Ces trois programmes dimpulsions sont raliss entroite collaboration avec lconomie prive, lescoles et la Confdration. Ils doivent favoriser unecroissance conomique qualitative et, par l,conduire une plus faible utilisation des matirespremires et de lnergie, avec pour corollaire unplus large recours au savoir-faire et la matiregrise.

Jusquici, si lon fait abstraction du potentiel hydro-lectrique, la contribution des nergies renouve-lables notre bilan nergtique est ngligeable.Aussi le programme PACER a-t-il t mis sur piedafin de remdier cette situation. Dans ce but le pro-gramme cherche: favoriser les applications dont le rapport

prix/performance est le plus intressant ; apporter les connaissances ncessaires aux

ingnieurs, aux architectes et aux installateurs ; proposer une approche conomique nouvelle

qui prenne en compte les cots externes; informer les autorits, ainsi que les matres de

louvrage.

Cours, manifestations, publications, vidos, etc.

Le programme PACER se consacre, en priorit, laformation continue et linformation. Le transfertde connaissances est bas sur les besoins de la pra-tique. Il sappuie essentiellement sur des publica-tions, des cours et dautres manifestations. Lesingnieurs, architectes, installateurs, ainsi que lesreprsentants de certaines branches spcialises,en constituent le public cible. La diffusion plus largedinformations plus gnrales est galement un l-ment important du programme. Elle vise les matresde louvrage, les architectes, les ingnieurs et lesautorits.

Le bulletin Construction et Energie, qui parattrois fois par an, fournit tous les dtails sur ces acti-vits. Ce bulletin peut tre obtenu gratuitement sursimple demande. Chaque participant un cours ou

autre manifestation du programme reoit une publi-cation spcialement labore cet effet. Toutes cespublications peuvent galement tre obtenues ensadressant directement la Coordination romandedu programme daction Construction et EnergieEPFL-LESO, Case postale 12, 1015 Lausanne.

Comptences

Afin de matriser cet ambitieux programme de for-mation, il a t fait appel des spcialistes desdivers domaines concerns; ceux-ci appartiennentau secteur priv, aux coles ou aux associationsprofessionnelles. Ces spcialistes sont pauls parune commission qui comprend des reprsentantsdes associations, des coles et des branches pro-fessionnelles concernes.

Ce sont galement les associations profession-nelles qui prennent en charge lorganisation descours et des autres activits. Pour la prparation deces activits une direction de programme a t miseen place; elle se compose du Dr Jean-Bernard Gay,du Dr Charles Filleux, de M. Jean Graf, du Dr ArthurWellinger ainsi que de Mme Irne Wuillemin et deM. Eric Mosimann de lOFQC. La prparation desdiffrentes activits se fait au travers de groupes detravail, ceux-ci sont responsables du contenu demme que du maintien des dlais et des budgets.

Documentation

La brochure Gnrateurs et installations lec-triques fait partie dun ensemble de quatre publi-cations techniques concernant les petites centraleshydrauliques: Turbines hydrauliques Gnrateurs et installations lectriques Rgulation et scurit dexploitation Le choix, le dimensionnement et les essais de

rception dune miniturbine

Conue comme document et en mme tempscomme outil pratique, elle est destine aider lesingnieurs et techniciens non spcialiss qui sontconcerns, dans le cadre de leur activit profes-sionnelle, par la conception et la ralisation dunepetite centrale hydraulique.

Les gnrateurs et les installations lectriques despetites centrales hydrauliques sont prsentes du


Avant-propos

point de vue technique, le texte tant illustr par denombreuses figures et accompagn dexercices.

La brochure contient les informations suivantes : prsentation du systme PTDU (production

transport distribution utilisation) ; principes fondamentaux de llectricit ; description et fonctionnement des gnrateurs

synchrones et asynchrones; exploitation des gnrateurs en parallle sur un

rseau interconnect et en rseau isol. Surveil-lance et contrle;

critres de comparaison entre les gnrateurssynchrones et asynchrones pour un choix opti-mal;

tablissement dun cahier des charges dun gn-rateur;

protection et scurit des installations.

Le prsent document a fait lobjet dune procdurede consultation, il a galement t soumis lappr-ciation des participants au premier cours pilote. Cecia permis aux auteurs deffectuer les modificationsncessaires, ceux-ci tant toutefois libres de dciderdes corrections quils souhaitaient apporter leurtexte. Dans ce sens ils assurent lentire responsa-bilit de leurs textes. Des amliorations sont encorepossibles et des suggestions ventuelles peuventtre adresses soit au directeur du cours, soit direc-tement auprs de lOffice fdral des questionsconjoncturelles.

Pour terminer nous tenons remercier toutes lespersonnes qui ont contribu la ralisation de laprsente publication.

Office fdral des questions conjoncturellesService de la technologieDr B. Hotz-HartVice-directeur


1. Systme PTDU 7

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique 92.1 Circuit lectrique 112.2 Paramtres 112.3 Utilisation du courant alternatif 182.4 Caractristiques dun rseau alternatif 232.5 Caractristiques des utilisateurs 24

3. Gnrateurs 293.1 Dfinitions 313.2 Introduction 313.3 Machine synchrone 373.4 Machine asynchrone triphase 44

4. Exploitation des gnrateurs 554.1. Plaques signaltiques 574.2. Bornier Couplage 624.3. Fonctionnement en rseau interconnect 644.4 Fonctionnement en rseau isol 704.5. Anomalies et contrles 77

5. Comparaison entre les gnrateurs synchrone et asynchrone 815.1 Qualit de l'nergie lectrique 835.2 Critres techniques de comparaison 835.3 Comparaison des cots l'investissement 85

6. Informations concernant le cahier des charges d'un gnrateur 876.1 Introduction 896.2 Informations soumettre au fournisseur 896.3 Documents/informations recevoir avec l'offre 906.4 Vrification des performances 90

7. Protection et scurit des installations 917.1 Bases lgales 937.2 Dangers de l'lectricit 967.3 Protection des installations 1007.4 Protection des machines tournantes 1027.5 Obligations juridiques 110

Bibliographie 115

Liste des publications et vidos du programme daction PACER 117


Table des matires

1. Systme PTDU

7

1. Systme PTDU

Un schma de principe dun systme de Produc-tion Transport Distribution Utilisation (PTDU)est reprsent la figure 1.1.

Composants du systme

Production

Turbine + Gnrateur

Rglage: frquence tension cos j

TransportTransformateur lvateur [pas pour des petitescentrales]LigneTransformateur abaisseur [pas pour des petitescentrales]

synchrone

asynchrone

Figure 1.1: Schma de principe d'un systme PTDU

DistributionSous-stationet/ouSystme de distribution aux consommateurs

UtilisateursRsistances pures, cos j = 1clairage, cuisson, chauffageRsistances + inductances, cos j < 1moteurs, transformateurs

A tous les niveaux du systme PTDU, il faut que lespersonnes et le matriel soient protgs.

ProtectionsSurcharge court-circuit mise terre

MOYENNE TENSIONTransformateur

Transformateur

Transformateur

Dist

ribut

ion

Tran

spor

t

HAUT

E TE

NSIO

N

BASS

E TE

NSIO

N

Petite centralehydrolectrique

Consommateur

Centrale hydrolectriquede grande puissance neuve

2. Principes fondamentaux de l'lectrotechnique

9


2.1 Circuit lectrique 11

2.2 Paramtres 112.2.1 Tension 112.2.2 Courant 122.2.3 Frquence 132.2.4 Facteur de puissance cos j 132.2.5 Puissance active 142.2.6 Puissance ractive 142.2.7 Puissance apparente 142.2.8 Energie 142.2.9 Rsistance 152.2.10 Condensateur 162.2.11 Inductance 16

2.3 Utilisation du courant alternatif 182.3.1 Avantages du courant alternatif 182.3.2 Gnralits et avantages du courant triphas 182.3.3 Gnration dun systme triphas 182.3.4 Couplages 192.3.4.1 Couplage toile 202.3.4.2 Couplage triangle 21

2.4 Caractristiques dun rseau alternatif 23

2.5 Caractristiques des utilisateurs 242.5.1 Circuit rsistif pur 242.5.2 Circuit inductif pur 242.5.3 Circuit capacitif pur 262.5.4 Combinaisons de circuits 272.5.5 Impdance 28

2.1 Circuit lectrique

Un dplacement dlectrons dans un conducteurcre un courant lectrique. Lnergie qui en rsultepeut tre convertie par des utilisateurs (chaleur,mouvement mcanique, informations).

Les 3 parties dun circuit lectrique sont : la source,le conducteur, la charge.

On peut faire lanalogie entre circuit lectrique et cir-cuit hydraulique (figure 2.1).

2.2 Paramtres

2.2.1 Tension

Les lectrons dans un conducteur ne peuvent sedplacer que sil y a une diffrence de pressionlectrique.

Cette pression lectrique est appele tension et semesure en volts [V]. La tension est semblable ladiffrence de pression D p en hydraulique (figure2.1).


11


Figure 2.1: Analogie circuit lectrique circuit hydraulique

I

AV

Q

p

T

Lampe

Interrupteur

Turbine

Diffrencede pression

Dbit-mtre

Sour-ce

Mo-teur

2.2.2 Courant

Sil y a une tension entre 2 points dun circuit lec-trique, un mouvement de charges (lectrons) va secrer pour compenser cette diffrence.

Ce mouvement, appel courant, est comparableau dbit hydraulique (figure 2.1) ; il se mesure enampres [A].

Lorsque le mouvement de charges est toujoursdans le mme sens, le courant sappelle courantcontinu. De mme, la tension sappelle tensioncontinue.

Si ce mouvement alterne dun sens un autre, onparle de courant alternatif et de tension alterna-tive (figure 2.2).

En rgime alternatif, la valeur moyenne est nulle(figure 2.3).

On dfinit : la valeur de crte et ; la valeur efficace: Ueff = /2 et Ieff = /2.


12

Figure 2.3: Comparaison de signaux continu alternatif

Figure 2.2: Circuit hydraulique alternatif

Valeur efficace = 10AThermomtre

Fer souder

Ce courant alternatif produitle mme effet thermiqueque ce courant continu

2.2.3 Frquence

Le nombre de cycles complets en 1 seconde estappel frquence. Elle se mesure en hertz [Hz](figure 2.4).

La frquence 50 Hz correspond 50 cycles parseconde. Le cycle (ou la priode) T correspond unedure de 20 ms.

2.2.4 Facteur de puissance cos j

Certains utilisateurs lectriques peuvent crer unretard entre la tension et le courant.

Linstant o le courant est maximum ne correspondpas ncessairement au maximum de tension(figure 2.5).

Sans modification du rseau ou de lutilisateur, ceretard reste constant. Il est indpendant du temps.Il peut sexprimer en valeur relative (D T/T). Plusgnralement, il est exprim en degr en admettantque la priode T reprsente 360, cest langle j . Onlui associe presque toujours son cosinus.

Si la frquence au cours du temps ne varie pas(f = constante), seules les grandeurs , , et j peu-vent se modifier. On peut les reprsenter plus sim-plement sur un diagramme appel phaseur(figure2.6).

Figure 2.5: Dphasage j entre U et I


13

Figure 2.4: Signal alternatif

Figure 2.6: Phaseur

RadiansDegrs

Alternance positive

Priode

Temps

Alternance ngative

2.2.5 Puissance active

La puissance active est la puissance qui participe la transformation effective. Cette puissance int-resse lutilisateur ; elle sera convertie en puissanceutile, soit thermique (chaleur), mcanique (rota-tion), chimique (lectrolyse). Elle est donne par(figure 2.7) :

2.2.6 Puissance ractive

La puissance ractive est une puissance ncessaire la cration du champ magntique dans des induc-tances ou du champ lectrique dans des capacits(figure 2.7):

2.2.7 Puissance apparente

La puissance apparente est une puissance qui tran-site dans la ligne (figure 2.7)

2.2.8 Energie

Lnergie active est le produit dune puissanceactive et dune dure (temps). Elle sexprime par :

Lunit de lnergie est le joule qui correspond unepuissance de 1 W pendant 1 s

1 J = 1 W 1 s

Lunit utilise pour lnergie lectrique est le [kWh]

1 kWh = 1000 W 3600 s= 3600 kJ

E = P t [J]

S = U I (alternatif) [VA]S = U I (continu) [VA]S = (P2 + Q2)1/2

Q = U I sin j (alternatif) [var]Q = O (continu) [var]

P = U I cos j (alternatif) [W]P = U I (continu) [W]


14

Figure 2.7: Reprsentation de la puissance

Puissan

ce appa

rente S

Puiss

ance

rac

tive

Q

Puissance active P

Chemin

Rail

Corde

Wagon

Travailleur

2.2.9 Rsistance

Symbole: RUnit: OHM (W )

Comme les pertes par frottements dans un circuithydraulique, le conducteur oppose une rsistanceau courant lectrique. Cette proprit est nommersistance R:

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

temprature

La chute de tension dans la rsistance est donnepar la loi dOhm:

Lnergie perdue dans la rsistance se transformeen chaleur (radiateur, chauffe-eau, fer souder). Lapuissance dissipe peut sexprimer par :

P = U IOr, U = RI,donc P = R I2 ou P = U2/R

Ces pertes sont appeles pertes joules et provo-quent un chauffement.

Les matriaux utiliss dans les machines lec-triques sont essentiellement le cuivre et lalumi-nium.

Leur rsistivit varie linairement avec la tempra-ture. Lorsque la temprature passe dune valeur ini-tiale To une valeur finale T, la rsistivit pour lecuivre et laluminium varie selon la loi (figure 2.8) :

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

T = To 1 +T To

235 + To

U = R I

mm2m

R = lA


15

Figure 2.8: Rsistivit en fonction de la temprature

Rsistivit

Temprature

De la mme manire, puisque la rsistance R estproportionnelle la rsistivit r :

2.2.10 Condensateur

Symbole: CUnit: FARAD (F)

Soient deux plaques mtalliques places face face. Lorsquon applique une tension continue entreces deux plaques, il apparat une accumulation decharges lectriques positives sur lune des plaqueset ngatives sur lautre. Les deux plaques consti-tuent un condensateur lmentaire (figure 2.9).

La capacit C du condensateur est le rapport entrela charge Q et la tension applique U:

Dans la pratique les condensateurs utiliss ont descapacits trs petites. Cest pourquoi lunit utiliseest le microfarad (m F) ou le picofarad (pF). Uncondensateur de 1 farad a une capacit telle que silest charg avec 1 ampre pendant 1 seconde, satension crot de 1 volt.

2.2.11 Inductance

Symbole: LUnit: HENRY (H)

Linductance L dune bobine est le facteur de pro-portionnalit entre le flux magntique et le courantqui lui est associ:

Lunit de linductance est le henry. Cest la valeurdune bobine (relais, self damorage de non) telleque, pour une tension de 1 volt applique pendant1 seconde, le courant varie de 1 ampre.

La bobine possde une rsistance R et une induc-tance propre L. Ces deux lments peuvent tre

H = V sA

L = I (H)

F = A sVC =

QU

(F)

RT = RTo 1 +T To

235 + To


16

Figure 2.9: Capacit lmentaire

Force d'attraction

Haute tension

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

Une bobine dinductance L tend sopposer unevariation du courant qui la traverse.

Lors de lenclenchement dune source de tensioncontinue U0 sur un circuit compos dune rsistanceR et dune inductance L en srie (figure 2.10), le cou-rant met un certain temps atteindre la valeur rgiepar la loi dOhm: I = U0/R

Le courant i stablit selon une loi exponentielle(figure 2.11) avec une constante de temps t dfi-nie par:

La tension uL aux bornes de linductance a la valeurU0 au premier instant, puis elle dcrot de faonexponentielle jusqu 0 avec la mme constante detemps t.

La tension uR aux bornes de la rsistance est nulleau premier instant et augmente de faon exponen-tielle pour atteindre la valeur U0.

Une bobine dinductance peut tre alimente encourant continu ou en courant alternatif. Si linduc-tance est idale, cest--dire que sa rsistance estnulle, alors elle reprsente un court-circuit en cou-rant continu.

Linductance L emmagasine une nergie magn-tique W :

Cette nergie nest pas transforme en chaleur.

W = 12

L I2 (J)

= LR

(s)

U = R I + L It


17

Figure 2.10: Schma dun circuit inductif

Figure 2.11: Etablissement du courant et des tensionsdans un circuit inductif

uL

uR

uL

uR

2.3 Utilisation du courantalternatif

2.3.1 Avantages du courant alternatif

Le courant alternatif prsente certains avantagespar rapport au courant continu: faible cot de transport ; transformation facile ; moteurs et gnrateurs alternatifs plus faciles

construire; lments denclenchement et de coupure plus

simples.

2.3.2 Gnralits et avantages du couranttriphas

La production et la distribution en monophas nestvalable que dans le cas de petites puissances(

Il suffit donc, pour avoir un tel systme, de consi-drer une machine bipolaire compose dun rotor 2ples (N/S) et dun stator comprenant 3 bobinesdphases lune par rapport lautre de 120. Lesfigures 2.13 et 2.14 reprsentent une telle machineainsi que les 3 sinusodes engendres par la rota-tion du rotor dans le stator.

Tensions de phaseCe sont les tensions aux bornes des bobines:Uu1u2 - Uv1v2 - Uw1w2

Tensions simplesCe sont les tensions entre les entres des bobineset le point neutre:Uu1N - Uv1N - Uw1N ou UL1N - UL2N - UL3N

Tensions de ligne ou tensions composesCe sont les tensions entre deux entres de bobineou entre deux lignes du rseau (ou de la charge):Uu1v1 - Uv1w1 - Uw1u1 ou UL1L2 - UL2L3 - UL3L1

Courants de phaseCe sont les courants qui traversent les bobinages(gnrateurs, moteurs,) ou les phases dunecharge triphase:Iu1 - Iv1 - Iw1

Courants de ligneCe sont les courants qui traversent les con-nexions entre le rseau et la charge: Iligne

2.3.4 Couplages

Les couplages les plus utiliss pour les gnrateurs,les moteurs et les charges triphases sont : le couplage toile ; le couplage triangle.

Il est important de connatre dans ces deux cou-plages: les relations entre tensions simples et compo-

ses; les relations entre courants de phase et de ligne; les expressions des puissances.


19

Figure 2.13 : Alternateur triphas

Tte debobine

Figure 2.14: Les 3 tensions gnres par lalternateur

1 priode

U1

W2

V1

U2

V2

W1

Uu1u2

Uv1v2

Uw1w2

2.3.4.1 Couplage toile

Symbole: Y

Le couplage toile est obtenu en reliant les unes auxautres les sorties des trois phases U2 - V2 - W2. Avecle couplage toile, le point neutre peut tre acces-sible (figure 2.15).


20

Figure 2.15: Couplage toile

PuissancesPuisquun systme triphas est quivalent trois systmes monophass, on peut crire :

pour la puissance apparente:S = 3 Uphase Iphase (VA)De mme pour la puissance active, on a :P = 3 Uphase Iphase cos j (W)et pour la puissance ractive:Q = 3 Uphase Iphase sin j (var)

TensionsUL1L2 = UU1V1 = 3 . UU1U2

CourantsLe courant de phase est gal au courant deligne:IL1 = IU1 IL2 = Iv1 IL3 = Iw1

IL1

UL1L3

UU1, U2

UL1L2

UL2L3 IL3 L3

L1 IL1

UU1N = UU1U2UU1V1 = UL1L2

IU1

U1

V1 Iv1 Iw1IL3

W1

IL2

120 N

L2

IU1 IV1 IW1N

U1 V1 W1

U2 V2 W2

IL2

En se rfrant aux relations de tensions o:

et puisque le courant de phase est gal au courantde ligne:Iphase = Iligne

Impdance (voir 2.5.5)Limpdance

devient, dans ce cas de couplage toile :

2.3.4.2 Couplage triangle

Symbole: D

Le couplage triangle est obtenu en reliant la sortiede chaque phase U2 - V2 - W2, lentre de chaquephase conscutive (figure 2.16).

TensionsLa tension de phase est gale la tension deligne:UU1U2 = UU1V1 = UL1L2

CourantsIL1 = 3 . IU1

ZYphase =Uligne3Iligne

Zphase =UphaseIphase

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

Uphase =Ucompose

3


21

PuissancesPartant de lexpression gnrale de la puissanceapparente

S = 3 . Uphase Iphase

et en se rfrant aux relations de tensions et decourants pour ce couplage, on trouve:

Cette expression est identique celle pour le cou-plage toile.

Impdance (voir 2.5.5)Limpdance

devient, dans ce cas de couplage triangle :

En comparant avec ZYphase, pour avoir les mmesvaleurs de tension et de courant, limpdance dephase dans le couplage triangle est 3 fois plusgrande que limpdance correspondant au cou-plage toile :

ZD

= 3 ZY

Zphase =3 Uligne

Iligne

Zphase =UligneIligne

3

Zphase =UphaseIphase

S = 3 Uligne Iligne (VA)


22

2.4 Caractristiques dun rseau alternatif

Un rseau lectrique est caractris par : le nombre de phases; la tension U; la frquence f ; la puissance de transfert.

Exemple: rseau triphas, 3 x 400 V/230 V-50 Hz-10 kVA

La tolrance sur la tension est de 10%.

Une grandeur importante pour la productiondnergie par microcentrale est la chute de tensiondans la ligne. Pour une ligne et une puissance detransfert donnes, la production devra compenserla chute de tension dans la ligne, ce qui peut entra-ner une tension trop leve chez lautoproducteur-utilisateur.


23

Figure 2.16: Couplage triangle

IL1L1

L2

L3

U1

IU1

U2 W2

W2U1

IU1

U2

IL2

IV1

V1 V2

IW1

W1

IL3

IL1

V2

IV1 IW1

V1 W1

IL2

IL3

2.5 Caractristiques des utilisateurs

Lutilisateur est caractris par : la tension U; la frquence f ; la puissance active P; le cos j.

2.5.1 Circuit rsistif pur

Soit une rsistance R alimente par une tension effi-cace U et traverse par un courant efficace I selonla figure 2.17.

Le courant et la tension sont en phase (figure 2.18).j = 0; d'o: cos j = 1 et sin j = 0

La figure 2.19 reprsente les valeurs instantanesde tension, de courant et de puissance.

La loi dOhm est, dans ce cas, valable comme encourant continu:U = R I (V)

La puissance active, selon les dfinitions ci-dessus,est gale :P = U I cos j = U I = S

Do:

La puissance ractiveest nulle:Q = U I sin j = 0 puisque sin j = 0

2.5.2 Circuit inductif pur

Soit une bobine ayant une inductance L et qui estalimente par une tension efficace U selon leschma de la figure 2.20.

Le courant et la tension sont dphass de+ 90, ou + p /2 radians, (figure 2.21).

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

P = R I2 = U2

R(W)


24

Figure 2.17: Schma dalimentation dune rsistance

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

Figure 2.19: Courbes des tension, courant et puissancepour une rsistance

Figure 2.20: Schma dalimentation dune self

I

I

I

U

U

UL

j = 0

UR

U

Les valeurs instantanes de tension, de courant etde puissance sont reprsentes sur la figure 2.22.

On remarque que la tension est en avance sur lecourant de p / 2, cest--dire que la tension atteint savaleur maximum (de crte) avant le courant.

Le courant est limit par ce quon appelle la rac-tance inductive.

Ractance inductive XLCest la rsistance en courant alternatif dans le casdune inductance. Lunit de la ractance est doncla mme que celle de la rsistance (W ).

La ractance inductive est le produit de la pulsationw par la valeur de la self L :

o f est la frquence de la tension et du courant.

On peut donc crire:

Si f = 0, U = 0 et le circuit est en court-circuit. Cestle cas en courant continu avec une inductance pure.

Si f = , I = 0 et le circuit est ouvert.

Daprs la figure 2.22, on voit que la puissance ins-tantane fluctue autour de la valeur moyenne nulle.Pendant un quart de priode, elle est positive etlnergie est emmagasine sous forme dnergiemagntique et pendant le quart de priode suivant,cette nergie magntique est renvoye la source.

La puissance active est donc nulle.

Une inductance absorbe de lnergie ractive.

P = U I cos j = 0Par contre, il existe une puissance ractive:Q = U I sin j = U I (var)Q = XL I2 = w L I2 = U2/XL (var)

U = XL I = w L I (V)

XL = w L = 2 p f L ()


25

Figure 2.21: Dphasage entre la tension et le courant pourune self

Figure 2.22: Courbes des tensions, courant et puissancepour une self

U

I

2.5.3 Circuit capacitif pur

Soit un condensateur C aliment par une tensionefficace U selon le schma de la figure 2.23.

Le courant et la tension sont dphass de 90, ou p /2 radians (figure 2.24).j = p /2do: cos j = 0 et sin j = 1

Les valeurs instantanes de tension, de courant etde puissance sont reprsents sur la figure 2.25. Onremarque que la tension est en retard sur le courantde p /2, cest--dire que la tension atteint sa valeurmaximum (de crte) aprs le courant.

Le courant est limit par ce quon appelle la rac-tance capacitive.

Ractance capacitive XCCest la rsistance en courant alternatif dans le casdune capacit. Lunit de la ractance est donc lamme que celle de la rsistance (W ).

La ractance capacitive est linverse du produit dela pulsation w par la valeur de la capacit C:

o f est la frquence de la tension et du courant.

On peut donc crire:

Si f = , U = 0 et le circuit est en court-circuit.

Si f = 0, I = 0 et le circuit est ouvert. Cest le cas encourant continu. Le condensateur bloque le cou-rant.

Daprs la figure 2.25, on voit que la puissance ins-tantane fluctue autour de la valeur moyenne nulle.Pendant un quart de priode, elle est positive etlnergie est emmagasine sous forme dnergielectrostatique et, pendant le quart de priode sui-vant, cette nergie lectrostatique est renvoye lasource. En courant alternatif, le condensateur laissepasser le courant.

Uc = Xc I =1

C I (V)

Xc =1

C= 1

2 pi f C()


26

Figure 2.23: Schma dalimentation dune capacit

Figure 2.24: Dphasage entre la tension et le courant pourun circuit capacitif

Figure 2.25: Courbes des tensions, courant et puissancepour une capacit

I

Uc

I

U

U

j = -90

Un condensateur fournit de lnergie ractive.

2.5.4 Combinaisons de circuits

Rsistance et inductance en srie (figure 2.26).

On part du triangle des puissances (figure 2.7) dfinipar: la puissance apparente S = U I la puissance active P = U I cos j la puissance ractive Q = U I sin jo j est langle de dphasage entre le courant et latension.

En divisant chaque ct par le courant I, on obtientun triangle de tension (figure 2.27) :UR = U cos jUL = U sin jUR et I sont en phase

En divisant les cts de ce triangle une nouvelle foispar I, on obtient un triangle dimpdances(figure2.28)

AC = XL = L = Z sin = UI sin () ( = 2pif)

BC = R = Z cos = UI cos ()

AB = Z = UI (voir par. 2.5.5)

U = UR2 + UXL

2

U L et I sont dphass de + 90 ou + p /2 radians

Q = U2

Xc= C U2

Q = Xc I2 = 1

C I2

La puissance active est donc nulle:P = U I cos j = 0 (W)

Par contre, il existe une puissance ractive:Q = U I sin j = U I (var)


27

Figure 2.26: Circuit compos dune rsistance et duneself

Figure 2.27: Diagramme des tensions

Figure 2.28: Diagramme des impdances

I

U

UR

UL

U

Z

UR

R

I

U L

A

XL

CB

2.5.5 Impdance

Symbole: ZUnit: OHM (W )

Limpdance Z dun circuit aliment par une tensionet un courant alternatifs est donc le rapport entre lesvaleurs efficaces de tension U et de courant I.

Elle est compose dun terme rsistif R et dunterme ractif X.

N.B. Linverse de limpdance (1 /Z) est ladmit-tance Y dont lunit est le siemens (S) = (1/ W ).

Z = R2+ X2 ()


28

3. Gnrateurs

29

3. Gnrateurs

3.1 Dfinitions 31

3.2 Introduction 313.2.1 Champ magntique 313.2.2 Flux magntique 333.2.3 Induction magntique 333.2.4 Cration dune force lectromagntique 343.2.5 Tension induite 353.2.6 Tension induite de mouvement ou de rotation

Gnratrice lmentaire 363.2.7 Courants de Foucault 36

3.3 Machine synchrone 373.3.1 Gnralits 373.3.2 Principe 383.3.3 Bilan des puissances Rendement 413.3.4 Symbole 413.3.5 Tension induite dans les machines synchrones 423.3.6 Caractristiques en gnrateur 423.3.7 Exercices 43

3.4 Machine asynchrone triphase 443.4.1 Gnralits 443.4.2 Principe 443.4.3 Symbole 463.4.4 Couple lectromagntique 463.4.5 Puissances et couple 473.4.6 Caractristiques 503.4.7 Fonctionnement en gnratrice 523.4.8 Exercices 53

3.1 Dfinitions

Un gnrateur lectromcanique convertitlnergie mcanique quil reoit son arbre (tur-bine) en nergie lectrique distribue au consom-mateur. Il sagit de lnergie active.

Le consommateur peut tre:

le rseau interconnect qui fixe la tension et lafrquence;

un rseau isol auquel le producteur doit garan-tir une tension ainsi quune frquence qui doiventtre toutes deux fixes et stables dans une four-chette admissible pour les appareils du consom-mateur.

Dans les installations de production dnergie lec-trique de petite dimension, il y a lieu de choisir entredeux types de gnrateurs: le gnrateur synchrone; le gnrateur asynchrone.

Dans les deux cas:

la machine est compose dun rotor et dun sta-tor;

le bobinage au stator, en gnral triphas, est lesige dune tension induite aux bornes de chaquephase.

3.2 Introduction

3.2.1 Champ magntique

Symbole: HUnit: AMPRE PAR MTRE (A/m)

Soit un aimant permanent suspendu de faon cequil puisse sorienter librement (figure 3.1):

lextrmit de laimant qui soriente vers le nordgographique est dsign par ple nord;

lextrmit de laimant qui soriente vers le sudgographique est dsign par ple sud.

Laimant permanent cre autour de lui un champmagntique.

3. Gnrateurs

31

3. Gnrateurs

Figure 3.1: Aimant suspendu

Direction

nord

-sud

Ple nord

Ple sud

En saupoudrant de la limaille de fer autour delaimant, on met en vidence lexistence de lignesde champ magntique (spectre magntique). Lalimaille de fer se concentre autour des ples(figure3.3).

Les lignes de champ sortent du ple nord delaimant et y retournent par le ple sud. Elles sereferment au travers de laimant (figure 3.2). des ples de mme nom se repoussent

(figure3.4); des ples de nom contraire sattirent (figure 3.5).

Pice de fer dans un champ magntiqueLa prsence de fer dans un circuit magntiquedforme le champ: les lignes de champ seconcentrent dans la pice de fer (figure 3.6).

3. Gnrateurs

32

Figure 3.2: Lignes de champ

Figure 3.3: Cration dun champ par un aimant

Figure 3.4: Rpulsion

Figure 3.5: Attraction

Figure 3.6: Lignes de champ dans une pice de fer

N

NN

N

N NS S

NN S S

N

N SS

S

S

S

S

Champ magntique cr par un courantdans une bobineUn conducteur parcouru par un courantengendre un champ magntique. Le sens deslignes de champ dpend du sens du courant(figure 3.7).

Un courant I traversant une bobine, constitue dunnombre N de spires, cre un champ magntique.Cest un lectroaimant (figure 3.8).

Lamplitude du champ H dpend de: de lamplitude du courant I ; du nombre de spires N; de la longueur moyenne l des lignes de champ.

Le produit N I est le potentiel magntiqueousolnation q .

3.2.2 Flux magntique

Symbole: FUnit: WEBER (Wb)

Soit une bobine de N spires (figure 3.8). Lorsque labobine est parcourue par un courant I, on cre deslignes de champ magntique. Lensemble deslignes de champ est le flux F .

3.2.3 Induction magntique

Symbole: BUnit: TESLA (T) = (Wb/m2)

Linduction magntique est le flux par unit de sur-face de passage de ce flux.

Sur la figure 3.9: A = 25 cm2 = 0,0025 m2Si F = 0,0025 Wbalors B = 1 T

B = A

(T)

H = N Il

Am

3. Gnrateurs

33

Figure 3.7: Champ magntique cr par un courant

Figure 3.8: Champ cr par une bobine

Figure 3.9: Exemple

N

Sens du champ magntique

S

S

l (longueur)

N (tours)

Lignedeflux

N

A = 25 cm2

I

3.2.4 Cration dune force lectromagntique

Interaction de 2 courants Deux conducteurs parcourus par des courants

de mme sens sattirent (figure 3.10). Deux conducteurs parcourus par des courants

de sens contraire se repoussent (figure 3.11).

Interaction dun courant et dun champmagntiqueSoit un conducteur travers par un courant I etplac dans un champ dinduction B (cr par unaimant permanent par exemple) perpendiculaireau conducteur (figure 3.12).Une force F est alors exerce sur le conducteurcrant un dplacement de celui-ci.

La force est proportionnelle : linduction moyenne B ; au courant I circulant dans le conducteur ; la longueur utile l du conducteur.

Si le conducteur est perpendiculaire linduction B:

F = B I l (N)

3. Gnrateurs

34

Figure 3.10: Forces dattraction cres par deux courants

Figure 3.11: Forces de rpulsion cres par deux courantsFigure 3.12: Force due linteraction d'un courant et d'unchamp magntique

Attraction

Rpulsion

N S

Sens de la force

Champ magntique

Conducteur parcouru par un courant

F

F

F

F

Le sens de la force est dtermin selon la rgle dela main gauche. Il dpend du sens du courant et dusens des lignes de champ (figure 3.13).

3.2.5 Tension induite

Soit un aimant permanent crant un champ magn-tique dinduction B dont le sens va du ple nord Nau ple sud S. Un conducteur de longueur l est placentre les ples de laimant de faon ce quil coupeperpendiculairement les lignes de champ magn-tique. Ce conducteur est reli un voltmtre.Lorsquon dplace le conducteur une vitesse v, onconstate une dviation du voltmtre (figure 3.14). Latension ainsi obtenue est la tension induite.

Cette tension induite est proportionnelle : linduction B qui traverse le conducteur; la vitesse v du conducteur; la longueur l du conducteur.

Le sens du courant induit cr par la tension induite(circuit ferm) est dfini par la rgle de la main droite(figure 3.15).

Une tension induite Ui est cre aux bornes dunconducteur ou dune bobine lorsque le conducteur ou la bobine se dplace

dans un champ magntique; lorsque le conducteur (ou la bobine) est travers

par un flux variable.

Si on a une bobine N spires:

La tension totale aux bornes dune bobine de rsis-tance R est alors gale la somme de la tensioninduite et de la chute de tension due la rsistance(loi dOhm):

utot = R i + Nt

Ui = + Nt

Ui = B l v (V)

3. Gnrateurs

35

Figure 3.13: Sens de la force courant-champ

Figure 3.14: Tension induite

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

IN

SCourant induit

Rgle de la main droite pour gnrateursCourantinduit

Dplace-ment

S

NFlu

x

Courant I

Force F

Champ magntique B

3.2.6 Tension induite de mouvement ou de rotationGnratrice lmentaire

Une tension induite alternative peut tre gnre enfaisant tourner une spire (ou une bobine N spires)dans un champ magntique cr par un aimant per-manent ou par un lectroaimant.

On obtient ainsi une gnratrice lmentaire cou-rant alternatif (figure 3.16), o la rotation provoquela variation du flux embrass par la spire ou labobine.

3. Gnrateurs

36

Figure 3.16: Gnratrice lmentaire

3.2.7 Courants de Foucault

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

Figure 3.17: Courants de Foucault

Pendule

Plaquede cuivre

Courantinduit

N

S

Tens

ion

Flux

mag

ntiq

ue

f

ui

Pour limiter ces courants dans les circuits magn-tiques, il faut lameller le fer en faisant des paquetsde tles minces isoles entre elles comme indiqusur la figure 3.18

3.3 Machine synchrone

3.3.1 Gnralits

Dans le fonctionnement en moteur, la frquence derotation de la machine est rigoureusement imposepar la frquence du courant alternatif qui alimentele stator. De mme en gnrateur, la frquence lec-trique sera impose par la vitesse de rotation. Cetteproprit justifie la dnomination de synchrone.

La frquence f dlivre par le gnrateur syn-chrone est directement proportionnelle la vitessede rotation n de son rotor :

o p, le nombre de paires de ples, est le facteur deproportionnalit.

Quelques valeurs pour 50 Hz:

f = p n

3. Gnrateurs

37

Figure 3.18: Tles

Nombre de ples Vitesse2 p n (t /min)

2 30004 15006 10008 750

10 60012 500

Tableau 3.1

Tles, d'env. 0,5 mm d'paisseurisoles entre elles

Noyau de transformateur

Tle de transformateur

Rivet

Rivet

Isolation

3.3.2 Principe

Dans une machine synchrone (figure 3.19), on dis-tingue: linducteur (rotor) parcouru par un courant

continu ou parfois constitu daimants perma-nents;

linduit (stator) parcouru par des courants alter-natifs en gnral triphass.

Le stator triphas est compos de trois groupes deconducteurs, logs dans les encoches du stator. Cesderniers sont associs pour former trois enroule-ments identiques (un par phase) et dcals dunangle lectrique de 120 les uns par rapport auxautres. Ils sont parcourus par trois courants quiforment un systme triphas et crent unchamp tournant excitateur.

3. Gnrateurs

38

Figure 3.19: Reprsentation schmatique d'une machine synchrone

Rotor

Poulied'entranement

Alimentation (3 phases, courant alternatif)

Stator

Alimentationcourantcontinu

Dans une machine synchrone le stator est ralisselon le principe de la figure 3.20 pour une machine 2 ples ou de la figure 3.21 pour une machine 4ples.

Un schma simplifi du bobinage dune machine 4 ples est propos la figure 3.22. Les indicesreprsentent les phases, les couples de lettres (a-bet c-d) les paires de ples.

Les conducteurs crent un champ tournant rpar-tition sinusodale, comportant 2p ples, dont lavitesse W s est lie la pulsation lectrique w descourants dalimentation et au nombre p de pairesde ples dtermin par le bobinage du stator.

Le rle du rotor est de crer le champ magntiquetournant ncessaire engendrer la tension induitealternative aux bornes du stator.

W s = w /p = 2 p nsW s: vitesse en rad/sns: vitesse en tour/s

3. Gnrateurs

39

Figure 3.20: Stator triphas 2 plesFigure 3.22: Reprsentation simplifie dun bobinagequadripolaire

Figure 3.21: Stator triphas 4 ples

Inducteur Stator

S2

E1

S3

E2

E3

S1

b3

a2

b1

b2

a3

a1

Le rotor, dun point de vue magntique est donc unaimant qui peut tre de 2 types: le rotor aimants permanents, dans lequel le

flux cr est constant. La tension induite nedpend donc que de la frquence (voir 3.3.5);

le rotor avec bobinage dexcitation, danslequel le flux varie avec le courant continu injectdans la bobine (courant dexcitation).

Dun point de vue constructif, on considre: le rotor ples lisseso lentrefer est constant ; le rotor ples saillants.

Pour des raisons conomiques, les machines depetite puissance ples saillants sont rares. Lesconstructeurs utilisent plutt des tles de rotors demoteurs asynchrones. Le bobinage est mont dansles encoches de manire avoir le nombre de plesdsir.

Les diffrents types dexcitation avec bobinage sontreprsents aux figures 3.23, 3.24, 3.25.

3. Gnrateurs

40

Figure 3.23: Excitatrice auxiliaire

Figure 3.24: Excitation diodes tournantes

Rsistance d'ajustage

L1 L2 L3 N

Figure 3.25: Excitation en sous-tirage

Stator

Rotor

GSA

gnrateurprincipal

gnrateurauxiliaire

3.3.3 Bilan des puissances Rendement

Voir bilan figure 3.26.

La puissance Pabs. absorbe par le gnrateur syn-chrone est la puissance mcanique Pmec. larbrePabs. = Pmec.

La puissance active Putile fournie au rseau, ou auxconsommateurs, sexprime en fonction de la ten-sion aux bornes dune phase et du courant danschaque phase par:

La diffrence entre les puissances absorbe et four-nie reprsente les pertes dans le gnrateur syn-chrone:

Les diffrentes pertes sont: les pertes par frottement et ventilation; les pertes dans le circuit magntique du stator,

ou pertes fer ; les pertes cuivre dues au passage du courant

dans les 3 bobinages du stator; les pertes par effet joule dans le bobinage dexci-

tation.

Le rendement est le rapport entre les puissancesfournie et absorbe:

3.3.4 Symbole

Le symbole normalis dune machine synchroneest reprsent la figure 3.27.

= PutilePabsorbe

=Putile

Putile + Pertes

Pabs - Putile = S PERTES

Putile = 3 Uph Iph cos j

et en fonction de la tension compose et du cou-rant de ligne:

Putile = 3 Uligne Iligne - cos j

3. Gnrateurs

41

Puissance d'entre

Puissance utile

Pertes parfrottement

Pertes parventilation

Pertes cuivre

Pertes fer

Figure 3.26: Bilan de puissance

Figure 3.27: Symbole de la machine asynchrone

U1

V1W1

MS3~

3.3.5 Tension induite dans les machinessynchrones

La tension induite Ui aux bornes dune phase estproportionnelle : la frquence f, cest--dire la vitesse; au flux magntique F cr par le champ dexci-

tation, qui est lui-mme gnr par le courantdexcitation iexc;

au nombre de spires N en srie par phase.

La formule prcdente donne la valeur efficace dela tension induite dans chacune des phases.

Lorsque le rotor tourne vitesse constante, ellepeut scrire:

La variation de la tension induite Ui en fonction ducourant dexcitation iexc est appele caractristique vide. Elle est reprsente la figure 3.28.

3.3.6 Caractristiques en gnrateur

Si lalternateur est entran vitesse constante etquil alimente une charge en lot, les caractristiquesobtenues montrent que la tension (U) varie beau-coup en fonction de lintensit du courant dbit eten fonction du dphasage impos par la charge. Cescaractristiques sont appeles caractristiquesexternes et sont reprsentes la figure 3.29.

Ainsi, pour avoir une tension fixe, il faudra rglerle courant dexcitation du gnrateur.

Pour adapter la frquence, il faudra rgler le dbitdeau dans la turbine.

Ces fonctions sont remplies par un organe de rgu-lation (voir chapitres 4 et 5).

Ui = K iexc (V)

Ui = K N f F (V)

3. Gnrateurs

42

Figure 3.28: Caractristique vide. Le point de fonction-nement se trouve en gnral dans la zone entre les pointsA et B

Figure 3.29: Caractristiques externes. Les caractris-tiques sont traces pour 3 valeurs de j

Ui

Uio

U

Uio

UN

B

A

3.3.7 Exercices

1. La tension entre phases dun alternateur triphascoupl en toile est gale 380 V. Il dbite uncourant dintensit efficace de 6.0 A dans unecharge triphase dont le facteur de puissance estde 0.85.a) Quelles sont les puissances active, ractive,

apparente de la charge?b) Sachant que le rendement de lalternateur est

de 89.5%, calculer la puissance mcaniquequil absorbe.

c) Dans ces conditions de fonctionnement,dterminer les pertes de lalternateur.

Rponse:3357 W, 2080 var, 3949 VA, 3751 W, 394 W

2. Un alternateur triphas 4 ples 380 V (toile) 50Hz, alimente un moteur asynchrone triphas quiabsorbe une puissance de 3.0 kW. Le facteur depuissance du moteur est gal 0.9, son stator estcoupl en triangle.Lalternateur absorbe une puissance mcaniquede 3.4 kW.a) Calculer lintensit efficace I du courant de

ligne?b) Dterminer le rendement de lalternateur

pour ces conditions de fonctionnement?Rponse: 5 A, 88.24%.

3. A vide, un alternateur aimants permanentsfournit une tension induite de phase de valeurefficace 220 V lorsque le rotor tourne 1500 t/min.Quelle est la tension induite lorsque le rotortourne 2000 t /min? Rponse: 293.3 V

3. Gnrateurs

43

3.4 Machine asynchrone triphase

3.4.1 Gnralits

La machine asynchrone, appele aussi machine induction, peut, comme toutes les machines lec-triques, fonctionner aussi bien en gnratrice quenmoteur. Cest toutefois le plus rpandu des moteurslectriques, parce quil est simple, de constructionrobuste, et dun prix de revient relativementmodique. Ces avantages sont surtout dus au faitque le rotor nest branch sur aucune source ext-rieure de tension, sauf utilisation particulire avecrotor bobin.

Il doit son nom de moteur induction au fait que lechamp tournant du stator induit des courants alter-natifs dans le circuit rotorique.

3.4.2 Principe

La machine asynchrone est constitue dun lmentfixe circulaire appel stator, dans lequel tourne unlment mobile cylindrique appel rotor (figure3.30).Les deux lments sont faits de tles magntiquesempiles, de faible paisseur (0.2mm, 0.5 mm), dansle but de rduire les pertes fer dues la prsence dechamps magntiques alternatifs.

Le stator dune machine asynchrone est iden-tique au stator dune machine synchrone(chap.3.3.2).

Le rotor comporte un bobinage en court-circuit.Il peut tre constitu aussi d'un cylindre massifen matriau conducteur. Dans les deux cas, lebobinage rotorique forme un circuit ferm sur lui-mme.

Le rotor cage dcureuil est le plus couram-ment utilis. Il se compose de barres de cuivre oudaluminium places dans des encoches etrelies entre elles chaque extrmit par unanneau de mme matire. Les tensions induitestant gnralement faibles, les barres ne sontsouvent pas isoles du corps rotorique (tles).

Le rotor bobin est constitu de bobines de filisol places dans des encoches et relies, commele bobinage statorique, de faon raliser un

3. Gnrateurs

44

enroulement triphas. En fonctionnement nor-mal, les trois phases sont court-circuites entreelles. Sous laction du champ tournant, des ten-sions sont induites dans les conducteurs roto-riques. Ces derniers sont alors parcourus par descourants induits (courants de Foucault) qui crentle champ tournant induit.

Linteraction du champ excitateur et du champinduit cre un couple moteur responsable de larotation du moteur.

Daprs la loi de Lenz, le systme ragit ensopposant la cause du phnomne dinductionmagntique, cest--dire au dplacement relatifdu champ tournant par rapport aux conducteursrotoriques.

3. Gnrateurs

45

Figure 3.30: Machine asyncrone

Stator (bobinage)

Stator (culasse)

Rotor cage

3.4.3 Symbole

Le symbole normalis dun moteur asynchrone estdonn la figure 3.31.

3.4.4 Couple lectromagntique

Dans une machine asynchrone (figure 3.32), unchamp tourne dans lentrefer une vitesse angu-laire W s. En rgime moteur le rotor de la machinetourne la vitesse angulaire W infrieure W s. Lesconducteurs du rotor sont alors soumis un champmagntique variable qui tourne par rapport eux-mmes la vitesse (W s - W) . Il en rsulte une tensioninduite dans les conducteurs. Ceux-ci tant encourt-circuit, des courants induits y circuleront.

Si le moteur comporte p paires de ples, la pulsa-tion des courants rotoriques est :

s est appel glissement; il reprsente lcart relatifde vitesse entre le champ tournant et le rotor, rap-port la vitesse du champ tournant. Cest unnombre sans dimension que lon exprime gnra-lement en%.

Si la vitesse W tait gale W s, il ny aurait plus dedplacement relatif du champ tournant par rapportau conducteur du rotor, donc pas dactions lectro-magntiques et pas de couple moteur.

En moteur, le glissement est positif n < ns. Le rotorest en retard par rapport au champ tournant, il four-nit un couple.

En gnrateur, le glissement est ngatif n > ns. Lerotor est en avance par rapport au champ tournantstatorique; on doit fournir un couple larbre par lamachine dentranement (turbine).

s = (W s - W) / W s = (ns - n) /ns

w r = p (W s - W ) = p s W s = s w

3. Gnrateurs

46

Figure 3.31: Symbole d'une machine asynchrone

Axe fixe

Figure 3.32: Champ dans lentreferLe champ rsultant dans lentrefer est rpartition sinu-sodale. Il est figur ici par la direction de son axe dfiniepar le vecteur unitaire (nT). Ce champ tourne la vitesseangulaire W s. Il provient de la composition du champ dau stator qui tourne la vitesse W s et du champ d auxcourants rotoriques dont la vitesse angulaire vaut: W + (W s - W ) = W s

W1

V1

U1

M3~

(s-) t

Les diffrents conducteurs du rotor sont soumis des forces de Laplace (figure 3.33) qui rsultent delinteraction du champ tournant avec les courantsinduits.

Laction de lensemble des forces lectromagn-tiques se rduit un couple lectromagntiquersultant (Mem). Il dveloppe une puissance lec-tromagntique gale Mem W s.

3.4.5 Puissances et couple

La puissance active (P) absorbe par un moteur oufournie par une gnratrice peut sexprimer par :

La puissance mcanique utile Pu larbre dunmoteur est fonction du couple utile Mu et de lavitesse angulaire W du rotor.

o W = 2 p n [rad. /s]

Le rapport entre la puissance absorbe et la puis-sance utile donne le rendement h de la machine:

La diffrence de ces deux puissances constitue lasomme des pertes dissipes dans la machine:

Pa - Pu = S Pertes

= PuPa

Pu = Mu W

P = 3 U I cos j [W]U = tension entre phases du

rseauI = courant dans la lignej = dphasage entre la tension

de phase et le courant dephase

3. Gnrateurs

47

Figure 3.33: Forces de LaplaceLes spires dun rotor cage sont balayes par un champtournant. A chaque instant laxe de la spire o lintensitest maximale concide avec laxe du champ rotorique quitourne la vitesse W s. Celle-ci est donc la fois la vitessede rotation de la distribution des courants induits et cellede lensemble des forces de Laplace qui glissent par rap-port au rotor la vitesse W s W

Ces pertes sont de quatre ordres:

mcaniques: Pf + vdues aux frottements et la ventilation

fer: Pferpar hystrse et courants de Foucault dues auxchamps magntiques alternatifs. Au rotor, ellessont ngligeables du fait de la faible frquence duchamp.

par effet Joule- au stator:

o Rs est la rsistance statorique

- au rotor:

o Rr est la rsistance dune barre rotorique;Zr est le nombre de barres rotoriques.

supplmentaires: Psupdues aux harmoniques suprieurs du champmagntique et la prsence des encoches; ellessont estimes environ 0,5% de la puissanceutile.

Le bilan nergtique, ou flux de puissance, permetdanalyser dans le dtail la conversion de lnergielectrique en nergie mcanique ou vice versa(figures 3.34 et 3.35).

En moteur, la puissance transmise au rotor (Pem ouP

d

) est la puissance absorbe (Pa) diminue despertes fer, des pertes Joule au stator et des pertessupplmentaires:

Pem est appele puissance lectromagntique (oupuissance dentrefer). Elle est transmise au rotor parle couple lectromagntique Mem dvelopp grceau champ tournant.

Pem = Mem W s

W s = 2 p ns tant la vitesse angulaire du champ tour-nant [rad/s].

Le couple lectromagntique est le mme sur lerotor et sur le stator. Mais la vitesse du rotor W estplus faible que celle du champ tournant W s:

W = (1 - s) W s

Pem = Pa - Pfer - Pcus - Psup

Pcur = ZR Rr Ir2

Pcus = 3 Rs Is2

3. Gnrateurs

48

Figure 3.34: Bilan de puissance en moteur

Figure 3.35: Bilan de puissance en gnratricePFe = pertes fer statoriquesPcus = pertes ohmiques statoriquesPcur = pertes ohmiques rotoriquesPf+v = pertes mcaniques

Pel (absorbe)

Parbre (utile)

Parbre (absorbe)

Pel (utile)

Pem

Pem

(1-s) Pem

Pmec

Pem(1-s) Pem

s Pem

s Pem < 0

La puissance se transmet au rotor avec un coupleconstant, mais avec une perte de vitesse. La puis-sance mcanique est donc plus faible que la puis-sance lectromagntique:

La diffrence (Pem - Pmec) est perdue par leffet Jouledans le rotor:Pcur = Pem - Pmec = Mem . (W s - W ) = Mem W s s

Do lon tire:

et

La puissance utile est obtenue en enlevant de lapuissance mcanique les pertes mcaniques Pf + v.Pu = Pmec - Pf + v

Le couple utile a pour expression:

o

Remarque : le couple lectromagntique est pro-portionnel aux pertes Joule dans le rotor :

Au dmarrage, les pertes mcaniques Pf+v sontnulles et le glissement est gal lunit.

Donc:

Med = Mud =3 Rr Ir

2

s

Mem =Pems

=3 Rr Ir

2

s s

Mf + v =Pf + v

Mu =Pu = Mem Mf + v

Pem =3 Rr Ir

2

s

Pmec = (1 - s) Pem

Pcur = s Pem = 3 Rr Ir2

Pmec = Mem W

3. Gnrateurs

49

3.4.6 Caractristiques

La machine asynchrone est caractrise par unecourbe de couple reprsente la figure 3.36.

Il est aussi intressant de reprsenter diverses carac-tristiques du moteur en fonction de sa puissancemcanique, tels que le rendement (h ), le cos j , lecourant (I), le glissement (s), le couple utile (Mu)(figure3.37).

Si la machine travaille en gnrateur, il est prf-rable de reprsenter ces courbes en fonction de lapuissance utile, cest--dire de la puissance lec-trique fournie aux consommateurs (figure 3.38).

3. Gnrateurs

50

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

Couple M [Nm]

Couple critique

Vite

sse

sync

hron

e

Couple pleine charge

Couple vide Vitesse de rotation

Fonctionnement en gnrateur

Couple de dmarrage

Fonctionnement en moteur

Vite

sse

nom

inal

e

Fonctionnementen frein

Fonc

tion-

nem

ent

norm

al

3. Gnrateurs

51

Figure 3.37: Caractristiques dun moteur asynchrone2,8 kW 3 x 380 V 50 Hz 1425 t /min

h

cos js cos j

h

Mu [Nm] I [A]

15

10

5

Mu

s

I

Pmec.utile [kW]

Cha

rge

nom

inal

e

3. Gnrateurs

52

3.4.7 Fonctionnement en gnratrice

Comme nous lavons vu dans les paragraphes pr-cdents, la machine asynchrone peut fonctionneren gnrateur sous certaines conditions:

elle doit tre entrane (turbine) une vitessesuprieure la vitesse synchrone; ainsi le glisse-ment est ngatif. Pour un fonctionnement nomi-nal en gnratrice, la puissance lectrique four-nie correspondra environ la puissancemcanique nominale en moteur. Le glissementsera proche, au signe prs, du glissement nomi-nal pouvant tre dtermin grce la vitesse indi-que sur la plaque signaltique (chap. 4.1) ;

la machine asynchrone consomme toujours de lapuissance ractive, aussi bien en moteur quengnrateur du fait que lenroulement statoriqueest toujours lenroulement excitateur. Cette puis-sance ractive sera fournie par le rseau ou parune batterie de condensateurs (chap. 4.2 et 4.3).

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

moteur

Pmecn = puissance mcanique nominale en moteurPel = puissance lectrique

In

I / In

Pel / Pmec n

Poin

t nom

inal

Poin

t nom

inal

en m

oteu

r

en g

nr

ateu

r

cos j m

cos j g

h m h g

gnrateur

En gnratrice, le rendement est dfini par:

En rgime gnrateur, la puissance ractive estsuprieure celle consomme. D'o:cos j Gen. < cos j mot.

Ainsi, le rendement sera plus faible en gnratricequen moteur.

3.4.8 Exercices

1. Un moteur asynchrone triphas cage(220 V/380 V, 50 Hz) est aliment par une lignetriphase 380 V, 50 Hz. Quel doit tre le couplagedes enroulements du stator?Rponse: toile.

2. Un moteur asynchrone prsente les caractris-tiques suivantes: 5 kW, 220 V/380 V, 50 Hz, 732 t/min.Quel est le nombre de ples du stator?Rponse: 8 ples.

3. Un moteur asynchrone triphas dont les enrou-lements triphass sont coupls en triangle estaliment par le rseau triphas 400 V, 50 Hz.Chaque phase du stator a une rsistanceRs = 0,40 W 75C. Lintensit efficace dans un filde la ligne est gale 11,2 A.Dterminer les pertes par effet Joule au stator?Rponse: 50 W.

4. Un moteur asynchrone triphas absorbe unepuissance lectrique Pa = 9.0 kW. Les pertes fer et les pertes Joule au stator sontgales 500 W. Le glissement est de 2.5%.Dterminer les pertes par effet Joule dans lerotor?Rponse: 213 W.

5. Les essais en charge dun moteur asynchrone tri-phas 6 ples dont le stator est coupl en triangleont donn les rsultats suivants : U = 400 V (entre phases), I = 24 A, Pa = 14.8 kW, n = 970 t /min.

essai vide: U = 400 V,I0 = 11 A, Pa = 360 W.

= PelPmec

3. Gnrateurs

53

mesure de la rsistance statorique: Rs = 0.50 W 20C

A partir de ces essais dterminer :a) le glissement s,b) le cos j,c) la somme des pertes fer du stator et des

pertes mcaniques,d) les pertes par effet Joule au stator en charge

nominale,e) les pertes par effet Joule au rotor en charge

nominale,f) la puissance mcanique utile et le rendement,g) le moment du couple utile.Rponse: 3.0%, 0.89, 300 W, 288 W, 426 W,13.8kW, 93.5%, 135.7 Nm.

6. Une machine asynchrone fonctionne en gnra-teur sur le rseau interconnect.

Ses caractristiques de fonctionnement sont lessuivantes:U = 380 V couplage en toile, I = 5 A,cos j = 0.65,h = 80%.

Dterminer:a) la puissance active fournie au rseau,b) la puissance ractive absorbe,c) la puissance mcanique absorbe.

Pour les mmes conditions de fonctionnement,on dsire obtenir un cos j = 1.0 en branchant descapacits.

Calculer :d) le courant dans la ligne,e) le courant dans le moteur.Rponse: 2145 W, 2356 var, 2681 W, 3.25 A, 5A.

3. Gnrateurs

54

4. Exploitation des gnrateurs

55


4.1 Plaques signaltiques 57

4.2 Bornier couplage 62

4.3 Fonctionnement en rseau interconnect 644.3.1 Caractristiques de fonctionnement sous U = cte et f = cte 644.3.2 Rglage de la puissance active P 644.3.3 Rglage de la puissance ractive, du cos j 664.3.4 Mise en marche 68

4.4 Fonctionnement en rseau isol 704.4.1 Caractristiques 704.4.2 Rglage de la frquence 714.4.3 Rglage de la tension 724.4.4 Charge ballast 724.4.5 Cas particulier d'un moteur asynchrone triphas utilis en gnratrice

pour un rseau monophas 744.4.6 Mise en marche 75

4.5 Anomalies et contrles 77

4.1 Plaques signaltiques

Les principales indications que lon trouve sur laplaque signaltique dune machine lectrique sontles suivantes (voir sur les figures 4.1 et 4.2 unexemple respectivement pour un moteur asyn-chrone et une gnratrice synchrone) :

1. Fabricant

2. Type

3. Numro de srie

4. Norme de rfrenceDans la majorit des cas, il sera fait mentiondes recommandations de la CEI 34-x (Comitlectrotechnique international) qui concernentles machines lectriques tournantes, lexclu-sion des machines de traction.Dans dautres cas, il sera fait rfrence auxnormes nationales dun pays. Pour la Suisse, ilsagit des normes de lASE (Association suissedes lectriciens) qui se rfrent pour certainesparties aux recommandations de la CEI.

5. Formes dexcution et dispositions demontage (voir tableau 4.3).

6. Protection: IPxyIl sagit de la protection contre les particulessolides (chiffre x) et du degr dtanchit(chiffre y)(voir tableaux 4.4).

7. Classe disolationDfinit lchauffement max., respectivement latemprature max. (voir tableau 4.5).Dans la majorit des cas des machines depetite puissance, lisolation est de classe BouF.

8. Puissance nominale /Puissance max.a) Machines synchrones:

Il sagit de la puissance apparente:S = 3 Uligne Iligne (VA)o U et I sont les valeurs nominales de ten-sion et de courant de la machine (voir 11 et14).


57


1Fabr. 2Type : 100L4BZ

Nr. 987654.001 4IEC 34-13

75B3 6IP 54 KL. B

8kW 2,2 S 1 Mot.9 10

V 220D / 380Y 1311 12 Hz 50 3 ~

A 8,7 / 5,0 14 15cos

2018 19

t/min 1415 16 17

kg 25

j 0,85

Figure 4.1: Plaque signaltique dun moteur asynchrone

1Fabr. 2Type GS3450-1

Nr. 7654.002 4IEC 34-13

75B3 6IP 54 KL. F

8VA 3'000 S 1 Gen.9 10

V 380 Y 1311 12 Hz 50 3 ~

A 5,0 14 15cos

2018 19

t/min 1500 16 17

kg 45Excit. Ae 12,5 Ve 75

j 0,9

Figure 4.2: Plaque signaltique dune machine synchrone

La puissance active nominale que la gn-ratrice synchrone peut fournir est :P = S cos j = 3 Uligne Iligne cos j

b) Machines asynchrones:Il sagit de la puissance nominale larbrePmec en fonctionnement moteur. La puis-sance active absorbe correspondante est :

o U et I sont les valeurs nominales de ten-sion et de courant de la machine (voir 11 et14).

La puissance max. que lon peut fournir un consommateur, dans le fonctionnementen gnratrice, est :P1gmax. = 3 . Uligne Iligne, avec cos j = 1Pour des gnratrices asynchrones depetite puissance, on peut admettre quecette puissance max. fournie aux bornes dela machine est :P1gmax. = Pmec nominale en moteur

9. Conditions de fonctionnementIl sagit du cycle de fonctionnement prvu pourla machine sans dpasser les limites admis-sibles de temprature. La dsignation S1, parexemple, reprsente un fonctionnement per-manent aux conditions nominales (voirtableau 4.6).

10. Type de fonctionnement prvu par leconstructeur Mot. = en moteur Gen. = en gnrateur

11. Tension nominale /couplageIl sagit de la tension compose (entre 2phases).Variations possibles 5%.

Couplages: Triangle: Etoile: YPour les machines synchrones, le couplage dubobinage du stator est toujours en toile (pourliminer lharmonique 3 de la tension compo-se).

Pour les connexions correspondant au cou-plage, voir paragraphe 4.2.

P1m =Pmec

= 3 Uligne Iligne cos


58

13. Frquence nominaleFrquence pour laquelle la machine a tdimensionne.

14. Courant nominalIl sagit du courant de ligne. Cest la valeur pourlaquelle lchauffement max. est garanti. Ladure dun dpassement ventuel doit trelimite de manire ne pas endommager liso-lation du bobinage.

15. Facteur de puissance cos ja) Machines synchrones: valeur pour laquelle

le circuit dexcitation a t dimensionn.

b) Machines asynchrones: valeur correspon-dant la charge nominale en fonctionne-ment moteur.

16. Vitesse de rotationa) Machines synchrones: vitesse synchrone.

b) Machines asynchrones: vitesse nm corres-pondant la puissance nominale (8) dansun fonctionnement en moteur.Dans le cas dun moteur asynchrone utilisen gnratrice, on peut estimer la vitesse ngcorrespondant aux puissance et frquencenominales partir de la vitesse nm indiquesur la plaque signaltique dun moteur :ng = 2 ns - nmo ns est la vitesse synchrone du champtournant.

17. Sens de rotationVu du ct accouplement. Parfois cette indica-tion nest pas grave sur la plaque signaltique,mais sur la carcasse de la machine.

18/19. Courant /Tension au rotora) Machines synchrones avec bobinage

dexcitation au rotor : le courant dexcitation Ae est celui qui

correspond aux valeurs nominales detension, de courant et de cos j indiquessur la plaque signaltique. Cest la valeurpour laquelle lchauffement max. estgaranti ;

la tension dexcitation Ve est celle qui cor-respond au courant Ae par la relation:Ve = Re. Ae, o Re est la rsistance delenroulement dexcitation 75C.

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


59

Moteur pattesde fixation

Moteur bridede fixationBrides trous lissestraversants

Moteur brideBrides trous tarauds

horizontal

horizontal

horizontal

horizontal

vertical

vertical

vertical

vertical

B 3

V 5

B 5

V 1

B 14

V 18

B 3/B 5

V 5/V 1

B 6

V 6

V 3

V 19

B 3/B 14

V 6/B 3

B 7 B 8

b) Machines asynchrones rotor bobin: la valeur de tension est celle qui correspond

la tension induite aux bornes du rotorouvert, larrt ;

la valeur du courant est celle qui corres-pond au courant induit pour la chargenominale, le bobinage rotorique tantcourt-circuit.

20. Autres indicationsLa masse, ou linertie, ou le type de refroidis-sement, ou.


60

Lettres caractristiques IP

1er chiffre caractristique x: 0 6

2e chiffre caractristique y: 0 8

Protection contre la pntration de corps solideset de liquide (eau)

Degr de protection contre la pntration de corpssolides

Degr de protection contre la pntration deau

1er chiffre caractristique x

0

1

2

3

4

5

6

Degr de protection

Pas de protection

Protection contre les corps> 50 mm


Protection contre les corps> 2,5 mm


Protection contre la poussire

Etanchit la poussire

2e chiffrecaractristique y

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Degr de protection

Pas de protection

Protection contre les chutesverticales de gouttes d'eau

Protection contre les chutesdeau pour une inclinaisonmaximale de 15

Protection contre leau enpluie

Protection contre les projec-tions deau

Protection contre les jets deau

Protection contre les paquetsde mer

Protection contre les effet del'immersion

Protection contre limmersionprolonge

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


61

Classe d'isolation

AEBFH

Echauffement max.

60C75C80C105C125C

Temprature max.

105C120C130C155C180C

Tableau 4.5: Classe disolation et limites dchauffement/temprature pour machines de puissance infrieure 200 kW(CEI34-1)

Dsignation service type

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

Fonctionnement

Service continu

Services temporaires

Services intermittents priodiques

Services intermittents dmarrage

Services intermittents dmarrage et freinage lectrique

Services interrompus charge intermittente

Services interrompus dmarrage et freinage

Services interrompus changement de vitesse priodique

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

D = Dmarrage

N = Fonctionnement charge constante

R = Repos

Tmax = Temprature maximale atteinte au cours du cycle

Facteur de marche = D + ND + N + R

100%

Exemple: Service type S4 intermittent priodique dmarrage

Dure d'un cycle

Charge

Pertes

Temp-rature

Tmax

D N R

4.2 Bornier couplage

Un bornier de machine lectrique triphase com-porte:

a) pour le stator : 3 ou 6 bornes Sil ny a que 3 bornes, le couplage du bobi-

nage (toile ou triangle) est form lintrieurde la machine. Le seul moyen de connatre lecouplage est de se rfrer la plaque signal-tique.

Sil y a 6 bornes, le couplage se fait selon lesfigures 4.7. et 4.8.

Pour changer le sens de rotation du rotor (pourun moteur) ou le sens du champ tournant, il fautcroiser les connexions sur les deux phasesextrmes.

b) pour le rotor : Cas des machines synchrones: 2 bornes (ali-

mentation courant continu).

Cas des machines asynchrones rotor bobin:3 (ou 4) bornes.


62


63

L1 L2 L3

U2 V2 W2

U1 V1 W1

L1 L2 L3

W2 U2 V2

U1 V1 W1

Machine synchrone Machine asynchrone

Figure 4.7: Couplage toile

L1 L2 L3

W2 U2 V2

U1 V1 W1

L3 L2 L1

W2 U2 V2

U1 V1 W1

Sens de rotation direct Inversion du sens de rotation

Figure 4.8: Couplage triangle d'une machine asynchrone

Caractristiques gnratrice synchrone U = cte et f = cte

4.3 Fonctionnement enrseau interconnect

On entend par rseau interconnect, le rseau prin-cipal o la tension U et la frquence f sontrigides, cest--dire que leur valeur ne varie prati-quement pas en fonction de la charge.

Les 2 types de gnratrices, synchrone et asyn-chrone, sont analyss du point de vue de: leurs caractristiques; des rglages des puissances active et ractive ; de leur mise en marche pour produire de lner-

gie sur le rseau principal.

4.3.1 Caractristiques de fonctionnementsous U = cte et f = cte

a) Machines synchronesLes caractristiques les plus intressantes pourlexploitant, en cas de fonctionnement tensionet frquence constantes, sont les suivantes : les courbes en V reprsentant la variation

du courant stator en fonction du courantdexcitation pour diffrentes valeurs de puis-sance active dbit variable (figure 4.9) ;

les caractristiques de rglage reprsentant lavariation du courant dexcitation en fonctiondu courant stator, pour diffrentes valeurs dufacteur de puissance cos j (figure 4.10).

b) Machines asynchrones Variation de la vitesse en fonction du couple

mcanique (figure 3.36). Variation du courant, du facteur de puissance,

du rendement en fonction de la puissance four-nie (figure 3.38).

4.3.2 Rglage de la puissance active P

Pour les 2 types de machines, la puissance activefournie par la gnratrice est fonction du dbit deau disposition. Il faut donc prvoir un rgulateur agis-sant sur le dbit (vanne motorise, distributeur,pointeau, ). Le rgulateur de la turbine a pourfonction de maintenir un niveau deau constant(prise deau) pour assurer la mise en pression delinstallation (voir brochure PACER Rgulation etscurit d'exploitation).


64

Figure 4.9: Courbes en V d'une machine synchrone de2300 VA 3 x 380 V 50 Hz

Figure 4.10: Caractristiques de rglage

0.25 Pa

0.5 Pa

0.66 Pn

0.8 Pn

Pn

4

3

2

1

00 2 4 6

Iexc [A]

I s [A

]

Remarques:

a) Si les puissances nominales de la turbine et dela gnratrice ne correspondent pas tout fait,la puissance active, donc le dbit, doit tre limi-te de faon ce que le courant nominal de lagnratrice ne soit pas dpass (limitation del'ouverture de la turbine).

b) Pour les gnratrices asynchrone et synchrone,si le dbit deau est trop faible, la machine peutfonctionner en moteur et absorber de la puis-sance au rseau. Dans ce cas, la gnratrice doittre dconnecte du rseau.

c) Dans le cas des centrales au fil de l'eau, s'il ny apas de possibilit de rgler le dbit, la puissanceactive variera en fonction des variations natu-relles du dbit et de la hauteur de chute.


65

Figure 4.11: Schma global dune installation (machine synchrone) avec rglages de dbit deau et de courant dexcita-tion

1 = Turbine2 = Contacteur d'alimentation de l'excitation5 = Disjoncteur de connexion au rseau

Rglagede Q ou cosRglage

de dbitj

L1 L2 L3 N

1

2

5I

4.3.3 Rglage de la puissance ractive,du cos j

La puissance ractive est ncessaire aux consom-mateurs qui possdent des moteurs courant alter-natif.

a) Cas des machines synchronesLe rglage de la puissance ractive se fait aumoyen du rglage du courant dexcitation.

Pour augmenter la puissance ractive fournie aurseau (inductif j > 0), il faut augmenter le cou-rant dexcitation par rapport au fonctionnement vide (sans charge).

Si lon diminue le courant dexcitation par rap-port au fonctionnement vide, la machineabsorbe de lnergie ractive (rseau capacitifj < 0).

Dans tous les cas, il faut surveiller le courant dustator pour quil ne dpasse pas le courant nomi-nal.

Remarque:En cas de coupure du rseau par dfaut (voir cha-pitre 7.4.3), le systme d'excitation doit aussi tredconnect.


66

L1 L2 L3 N

1

2

5I

Rsistance d'ajustage

Figure 4.12: Schma global sans rglage de dbit Iexc = cte (cas dune machine synchrone)1 = Turbine2 = Contacteur d'alimentation de l'excitation5 = Disjoncteur de connexion au rseau

b) Cas des machines asynchronesLa machine asynchrone absorbe toujours de lapuissance ractive, quelle fonctionne en moteurou en gnratrice.

Lamplitude de cette puissance ractive varieavec la charge.

Si elle doit tre compense pour amliorer le fac-teur de puissance dune valeur cos j 1 une autrecos j 2, il faut installer une batterie de condensa-teurs, raison dun condensateur par phase decapacit Cphase.

avec w = 2 p fLa compensation parfaite est celle qui corres-pond cos j 2 = 1 (j 2 = 0). En pratique la com-pensation se fait cos j 2 = 0,9.Pour les gnratrices asynchrones de petitepuissance, l'angle j 1, correspondant aux condi-tions nominales, peut tre estim par:

Remarque:En cas de coupure du rseau par dfaut (voir cha-pitre 7.4.3), les condensateurs doivent aussi tredclenchs.

cos 1 =Pmec n

3 Uligne n Iligne n

Cphase =P (tg 1 tg 2)3 UCphase

2


67

L1 L2 L3 N

1

3

2I

Cphase

Figure 4.13: Schma global sans rglage de dbit (cas dune machine asynchrone) avec compensation1 = Turbine; 2 = Disjoncteur de connexion au rseau; 3 = Contacteur d'enclenchement des condensateurs

Exemple :

Plaque dun moteur :2200 W - 380 V toile - 5 A - 50 Hz - cos j 1 = 0,85

Les rsultats de mesure dun fonctionnement vide en moteur sont :Pelo = 220 W- 380 V toile - cos j 0 = 0,11

Fonctionnement en gnrateurSous charge nominale:Pel = 2200 W - 380 V toile - 50 Hz - cos j 1 = 0,67

Calcul de la capacit pour compenser le cos j 1sous charge nominale:

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

En fonctionnement vide (sans change de puis-sance active avec le rseau), la puissance ractivencessaire magntiser la machine asynchrone estde:Qo = Pelo tg j o = 220 9,04 = 1988 var

En gardant la mme valeur de capacit (53,5 F)quen fonctionnement en gnrateur chargenominale, il y a un surplus de puissance ractive de452 var (2440 1988) qui est donc fourni par la bat-terie de condensateurs au rseau interconnect.

4.3.4 Mise en marche

a) Machine synchroneLes 4 conditions de mise en parallle dune gn-ratrice synchrone sur un rseau interconnectsont: mmes sens du champ tournant ; mmes frquences; mmes tensions; phase nulle entre les 2 systmes triphass de

tensions.

Cphase =2200 1,11

3 2 pi 50 2202= 53,5 10 6 F = 53,5 F


68

Les oprations pour satisfaire ces conditions sontles suivantes (figures 4.11 et 4.12) :

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

` Alimenter le bobinage rotorique de la machinesynchrone (excitation), au moyen dune sourcevariable courant continu, jusqu obtenir la ten-sion nominale aux bornes du stator.

Vrifier, au moyen dun appareil adquat, que lesens du champ tournant de la machine syn-chrone est le mme que celui du rseau.

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

Lorsque les 2 systmes triphass de tension durseau et de la machine synchrone sont enphase, enclencher le disjoncteur I (ou le contac-teur).

Les oprations de mise en charge sont les sui-vantes:

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

Pour changer la puissance ractive, ou le facteurde puissance cos j , varier le courant dexcitationdans le bobinage du rotor de la machine syn-chrone.

b) Machine asynchrone

La mise en marche de la gnratrice asynchroneest plus simple que pour la machine synchrone(figure 4.13).

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

` Enclencher le disjoncteur I (ou le contacteur) per-mettant dinterconnecter la gnratrice asyn-chrone et le rseau. Une pointe de courant (envi-ron 5 fois le courant nominal) apparatra aumoment de lenclenchement. La machine asyn-chrone est capable de supporter cette surinten-sit temporaire. Cependant, les protections doi-vent tre prvues en consquence.


69

Enclencher la batterie de condensateurs, sil y acompensation du facteur de puissance.

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

N.B. Lchange de puissance ractive avec le rseaudpend de la valeur des capacits de la batterie decondensateurs (cf. Exemple sous 4.3.3b).

4.4 Fonctionnement en rseau isol

On appelle rseau isol:

le cas dune station de production qui fournit delnergie lectrique un ou plusieurs consom-mateurs, la centrale pouvant comporter 2 gn-rateurs par exemple;

ou le cas de 2 stations de production qui fournis-sent en parallle de lnergie lectrique plu-sieurs consommateurs.

Dans le cas dun rseau isol, les tension et fr-quence dlivres varient en fonction de la charge:U cte et f cte

4.4.1 Caractristiques

a) Machine synchrone

Caractristiques externesreprsentant la varia-tion de la tension en fonction de la charge (oudu courant stator) frquence constante: courant d'excitation constant pour diff-

fents cos j (figure 3.29); pour diffrents courants d'excitation et dif-

frents cos j (figure 4.14).

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


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Caractristiques gnratrice synchrone en rseau isol

Is = k Pel

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

Figure 4.15: Variation U (P) pour 2 condensateurs de capa-cit Co et CN

Caractristiques gnratrice asynchrone en rseau isol

Pel

b) Machine asynchrone Tension en fonction de la charge (ou du cou-

rant du stator) pour une frquence constante etpour diffrentes valeurs de capacits(figure 4.15).

A titre dexemples: la figure 4.16 montre les caractristiques U

(P) et I (P), mesures frquence constante,pour une machine de 3 kW;

la figure 4.17 montre la forme de U (P) dbitconstant avec une caractristique de turbinedtermine.

Vitesse en fonction du couple mcanique pourgarder une frquence constante (figure 3.36).

4.4.2 Rglage de la frquence

La valeur mesurer est la frquence avec pourconsigne la frquence nominale. La frquence peutse mesurer: par la frquence de la tension de lalternateur ; ou par une machine auxiliaire donnant une ten-

sion proportionnelle la frquence (uniquementdans le cas d'une gnratrice synchrone).

Pour les 2 types de machines, le rglage de la fr-quence, cest--dire de la vitesse de rotation, se faitpar le rglage du dbit deau dans la turbine en fonc-tion de la charge.

Dans les cas o le dbit n'est pas rgl, il faut alorsprvoir une charge ballast (voir paragraphe 4.4.4).

a) Machines synchronesMaintenir la vitesse constante gale la vitessesynchrone.

b) Machines asynchronesIl faudrait varier la vitesse (au-dessus de lavitesse du synchronisme). En pratique, on peutobtenir une frquence plus ou moins constante( 5%) par le maintien d'une tension constante.


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I/In

1,2

1,0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Pel/Pn

U/Un

U (75 m F)U (85 m F)

I (85 m F)

domaine instable

U (56 m F)

I (75m F)

I (56 m F)

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

U/Un

2

1

1 Pel /Pn

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

4.4.3 Rglage de la tension

La valeur mesurer est la tension aux bornes du(des) consommateur (s) avec pour consigne la ten-sion nominale.

a) Machine synchroneSe fait par le rglage du courant dexcitation parl'intermdiaire d'un rgulateur de tension.

b) Machine asynchroneDevrait se faire en variant les condensateursdexcitation en fonction de la charge. Cependant,ceci tant impossible un cot raisonnable, ilfaut choisir une capacit moyenne de manire ce que les variations de

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