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Régulation de la tension électrique dans les installations industrielles


par el hadji abdoul aziz NIANG
Centre d'Entreprenariat et de Developpement Technique - BTS 2006
  

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Se l'imposer à soi-même, c'est force supe'rieure."

c'est sagesse supe'rieure. Imposer sa volonte' aux autres, c'est force. "Connaître les autres, c'est sagesse. Se connaître soi-même,

Lao-tseu

Remerciements

Yacinthe Faye;

A mes parents qui ont fait de moi ce que je suis;

Mes s1/2urs en particulier Ami;

Ainsi qu'à Mbaye Cissé;

Toute ma famille dans l'ensemble; Tonton Mbacké et famille;

Alioune Dafonou pour sa présence sa faille;

Demba Seck Directeur des ressources humaines à la SENELEC

Mon frére, mon ami, mon binôme Abdoul Aziz Fall;

Ainsi qu'à son collègue Mr Diagne Aïssatou Diallo et famille;

Mon professeur encadreur Mr Samba Gueye

Pape War Gueye Directeur de sérvice à la SENELEC

Pape Demba responsable à la DAU Babacar Diallo et Moustapha Diallo Rahim Niang ingénieur mécanicien aux ICS

Mr Abou Tall professeur au CFPT S/J Mr Kébé professeur au CFPT S/J

Mr Diagne Directeur d'Inter Technique

Ainsi que tout le personnel en particulier Marie Louise

Mes professeurs

Diadji, Badara et Ousseynou

Mes compagnons et amis Thiérno Faye, Ibrahima Kane, Boïlil Sy, Baye Mor Et mon père Cheikh Abba Fall

Ma deuxième Famille Fall en particulier ma mère à moi Maïmouna Beye

Ainsi qu'à toute personne qui a contribué de près ou de loin à ce travail.

Ma promotion en particulier Cheikh Tidiane Diouf

Djibril Sagna

Tout le personnel de la CGE Serigne Abib Gaye

Serigne Abdou Razakh

Table des matières

Avant propos 11

Introduction 12

1.1 Le champ magnétique 15 1.2 Notion de tension16 1.3 Définitions : volts, ampère,watt et ohm 17

I Aspects théoriques de la tension électrique 14

1 Définition de la tension électrique

1.3.2 La tension 17 1.3.1 Le courant 17 1.3.3 La résistance 17

15

1.8 La puissance électrique21 1.4 Les notions de puissanceetd'énergie:Kilowatt ou kilowattheure18 1.5 Le courant alternatif 18 1.6 Les tensions : triphasées et monophasées (phase (s), neutre) 19 1.7 Transfert et transformation d'énergie dans un circuit électrique20

1.8.1 Relation entrepuissancetensionetintensité 22 1.8.2 Généralisation 22 1.8.3 Tension auxbornesd'élémentsplacesenparallèle 22 1.8.6 Cas pratique : exemple de la senelec 35 1.8.5 Aspects techniques et pratiques de latension 24
1.8.4 Classificationdesréseauxélectriqueetlestensionsnor-

malisées 23

2.1 Définition de la régulaton 53

2.1.1 Qualité de l'énergie électrique 53

2 La régulation

53

2.1.2 Contexte 532.1.5 Surtensions temporaires ou transitoires-dé~nition 56

2.2 Pourquoi réguler la tensionélectrique 61

2.1.6 Fluctuation lente de la tension (Flicker)-dé~nition 56

2.1.4 Creux de tension et coupures : dé~nition 55 2.1.8 Harmoniques et interharmoniques:dé~nitions 58 2.1.3 Qualité de l'énergie électrique : critères et dé~nitions 54

2.2.2 Ligne résistive62 2.2.3 Ligne inductive 63 2.2.5 Ligne inductive reliant deux réseaux 65 2.2.6 Récapitulation de la puissancetransportée 69 2.2.7 Choix de la tension de ligne 69 2.2.1 Variation de tensionetpuissancemaximaletransportable 61 2.1.7 Déséquilibre du systèmetriphasédetensions-dé~nition 57 2.2.4 Ligne inductive avec compensation 64

3 Les techniques de régulation

3.2 Autres moyens de réglage delatensionBT 81 3.1 Le réglage de la tension 74

3.1.2 Cas réels : influence desrésistances 77

3.1.1 Cas théorique : sans lesrésistances 76 3.1.3 Comment éviter les surtensionsduesaucondensateurs79

74

3.2.1 Régulateur statique 81 3.2.2 Autotransformateur variable 81

II Applications dans l'industrie 83

4 Machines à courantcontinu

4.4 Couple électromagnétique 85 4.5 Fonctionnement en moteurdelamachineàcourantcontinu 86 4.6 Fonctionnement de la machineàcourantcontinuengénératrice 90 4.3 La force électromotrice (f.e.m.)E 84 4.1 Généralités 84 4.2 Modèle électrique d'une machineàcourantcontinu 84 4.5.1 Le moteur à excitationindépendante 86 4.5.3 Quelques considérationspourlemoteuràcourantcontinu 89 4.5.2 Le moteur à excitationsérie 87

84

4.7 Exercices d'application 91

5 les machines à courantalternatifs:exempledesmoteurs asyncrones

5.1 Classification des moteursacourantalternatif 94

5.3 Construction 96 5.4 Les moteurs à cage 98 5.5 Les moteurs a rotor bobiné 98 5.6 Principe de fonctionnement 99 5.2 Principe de fonctionnementdesmoteursasynchronetriphasé 95

5.3.2 Le Rotor96 5.3.1 Le Stator 96

94

5.8 Caractéristiques des moteurs asynchrones 102

5.7 Représentation schématique 101

5.9 Bilan des puissances103 5.10 Démarrage d'un moteur asynchrone 104

5.8.1 Fonctionnement à vide 102

5.8.4 Résumé des caractéristiques 103

5.8.3 Caractéristique mécaniqueTu

5.8.2 Fonctionnement en charge 102

= f(n) 102

5.11 Puissance d'un moteur asynchrone 107

5.10.1 Organisatgénéraleraledéquipementmentdedémarrage104
5.11.2 pertes par effet joule au stator:Pjs 108 5.11.3 Perte feraustator:Pfr 108 5.11.4 Puissancetransmise:Ptr 108 5.11.5 Momentducoupleélectromagnétique:Tem 108 5.11.6 Puissancemécaniquetotale:PM 108

5.11.1 Puissance électrique absorbée:Pa 107

5.10.2 Démarrage direct 105 5.10.3 Démarrage étoile - triangle 106

5.11.7 Pertes pareffetjouleetpertesdansleferaurotor:Pjr

5.11.16 Complément:caractéristiquesT 5.11.14Utilisationdumoteurasynchrone 111 5.11.15Réversibilité 111 5.11.11 Bilan des puissances à vide 109 5.11.12 Point defonctionnementdumoteurencharge 110 5.11.13 Moteur asynchronemonophasé 110 5.11.9 Pertes collectives : Pc109 5.11.10 Puissance utile : Pu109 5.11.8 pertes mécaniques : Pm 109 charges 111 et Pfr 109 = f(n)dequelques

5.11.17avantages des moteurs asynchrones 112

5.11.18 Inconvénient des moteurs asynchrones 113

6 Les transformateurs

6.1 Intérêt 114 6.2 Constitution 114 6.3 Grandeurs caractéristiquesd'untransformateurtriphasé 117

6.2.1 Equations électriques 115

114

6.5 Marche en parallèle des transformateurstriphasés 121 6.4 Couplage du transformateur 118

6.5.1 Principe121 6.4.1 Principe 118 6.4.2 Couplagesnormalisés 119

6.3.3 Indice horaire 117 6.3.1 Fonctionnementnominal 117 6.3.2 Rapport de transformation 117

6.4.3 Déterminationdel'indicehoraire(méthodedesélectri-

6.6 Transformateurs spéciaux 123

6.6.2 Transformateurs de mesures 124

6.5.2 Conditions de couplageenparallèle 122 6.5.3 Groupes d'indices horaires 122 6.6.1 Autotransformateur 123

ciens) 121

Conclusion 126

Annexes 127

Liste des tableaux

1.1 Nomenclature en fonction de la tension efficace 23

1.2 Tensions normalisées des réseaux électriques en courant alternatif 23

5.2 Couplage des bobines d'un moteur en fonction du réseau 107

5.1 Nombre de pôles en fonction de n8 96

6.1 Nombre de pôles en fonction de n8 123

Table des figures

1.3 Tension triphasée :Haute tension & tension220Vavecterre 20

1.2 Tension triphasée19

1.6 Comparaison d'après les données fabricants entre unebarrièreSchottky

1.5 Comparaison alimentation haut de gamme et basdegamme 32

1.9 Répartition de la puissance installée 37

1.10 Réseau de distribution 37

1.7 Répartition de puissance selon les équipements.36 1.8 Puissance installée par type de centraleenZDD4 36 1.11 Longueur des lignesMT 38 1.12 Puissance des différentessousstations 38 1.13 Les postes MT/BT 39 1.4 Cas de différence de phase possible 28 1.1 La différence de potentiel 16

issue d'une Seasonic S12 et d'une LC Power 550 W 34

1.16 Contribution du réseau interconnecté 42 1.17 Production, disponibilité etrendementduRIen2004 43 1.18 Production, disponibilité etrendementduRNIen2004 43 1.20 Evolution du prix des FO entre 2003 et 2004 45 1.21 Evolution des prix du DO entre2003et2004 46 1.22 Evolution des prix des autres combustibles(Kérozéneetgaz)en2004 46 1.25 Disponibilité et rendement du parcen2004. 48 1.26 Energie distribuée par source 49 1.27 Energie distribuée par source en 2004 50

1.14 Répartition de la production 41
1.15 Courbes de chargesdesjournéescaractéristiquesduréseauinter-

1.19 La disponibilité du RNI 44

connecté en 2004 42

1.23 Coût du combustible/réseau enMilliardsdeFcfa 47

1.24 Poids des dépenses de combustiblesparréseauen2004 47

1.29 Evolution des interruptions de services par nature de la cause. 52

1.28 Répartition des incidents par niveau tension pour Dakar et les régions. 51

1.30 Evolution de l'END par nature de la cause. 52

2.2 Fluctuation 57

2.1 Creux de tension 55

2.3 Déséquilibredetension 58

2.5 Caractéristiquesd'unechargerésistivealimentéeparuneligneré-

2.4 Représentationd'uneondedéformée 59

2.8 Ligne inductive reliant deux grandsréseaux 67

2.6 Caractéristiquesd'unechargerésistivealimentéeparunelignein-
2.7 Caractéristiques d'unechargerésistivealimentéparunelignein-

sistive 62

2.9 Caractéristiques d'une ligne reliantdeuxgrandsréseaux. 68

ductive compensée 66 ductive 64

2.12 Régulation d'une charge résistive 72

2.10 Puissance d'une ligne inductive compensée 69

2.11 Comparaison des courbes de régulationenfonctiondelapuissance

active transportée par la charge. 70

tion d'énergie réactive 75

3.1 Transformateur débitantsurunchargeinductiveaveccompensa-

3.2 Analyseur depuissanceetd'énergieélectrique 76 3.3 VariationsdeU2enfonctiondeQ(résistancesduréseauincluses) 78 3.4 VariationsdeU2enfonctiondeQ(résistancesduréseauincluses) 79 3.5 Variateur etrégleurdetensionenarmoire 80

3.6 Réglage delatensionBTparlesprisesàvidesdutransformateur

HTA/BT 82

4.1 Modèle électrique d'une machine à courant continu 85 4.2 Modèle électrique du moteur à excitation indépendante 86 4.3 Modèle électrique du moteur à excitation série 88 4.4 Caractéristiques d'un moteur à courant continu 904.5 Modèle de la MCC en génératrice 90

5.1 Modèle du rotor en cageenécureuil 97 5.2 Modèle du rotor bobiné 97 5.5 Le champ magnétique résultant en diphasé.101 5.3 Sens de parcours du champ magnétique généréeparlabobine 99 5.4 Représentation du courant en alternatif 100 5.6 le champ magnétique résultant en triphasé.102 5.7 Principe de fonction du moteur asynchrone. 103 5.8 Représentation schématique d'un moteur asynchrone. 104

5.9 Caractéristiques mécaniques d'un moteurasynchrone.105 5.10 Bilan de répartition de la puissance dansunmotasyncronesrone 106 5.12 Caractéristique de fonctionnement du moteur en charge 110 5.13 Moteur asynchrone monophasé.110 5.14 Courbes caractéristiques de différentes charges.112 5.15 Courbes caractéristiques de différentes charges. 112

5.11 couplage des bobines en étoile triangle. 107

6.2 Bobines dtransformateurteurmonophaséélémentaire. 115 6.3 Transformateur colonne. 116 6.4 Transformateur rapport de transformation 118 6.5 Couplage normalisés couplage étoile-étoile.119 6.6 Couplage normalisés couplagetriangle-étoile 120 6.7 Couplage normalisés couplageétoile-zigzag.120 6.8 Transformateurs couplés en parallèle.122 6.9 Couplage de transformateurs.123 6.1 Constitution d'un transformateur. 114

6.10 Représentation d'un autotransformateur. 124 6.11 Transformateur de mesures. 124

Avant propos

électriques et magnétiques et d'autre part , leurs applications pratiques.

L'électrotechnique en tant que science, étudie d'une part les phénomènes trices d'énergie électrique. L'énergie électrique est produite au niveau des centrales équipées d'alternateurs et de génératrices. Elle est transformée aux des lignes de réseau électrique et distribuée aux récepteurs.

sous-stations à l'aide d'appareils électriques pour être ensuite transportée par

L'industrie énergétique moderne est représentée par les usines producimportant secteur industriel. Les machines outils et les mécanismes sont dans la plupart des cas à commande électrique, c'est à dire qu'ils sont entraînés par depuis longtemps des branches distinctes ont une base théorique commune des moteurs électriques. La radiotechnique et l'électronique qui constituent

La fabrication de machines électriques et de transformateurs occupe un

dernière.

avec l'électrotechnique et se sont développées comme des branches de cette

et électromagnétiques.

électroniques, de convertisseurs, de relais et d'autres appareils électriques
souvent des systèmes d'automatismes électriques équipés d'amplificateurs

Les systèmes de commande automatique et de régulation sont le plus tion de phénomènes physiques. Les principaux organes de ces machines sont plexes, résolvent des problèmes logiques compliqués et permettent la simula- fondamentales de champ électromagnétique, et permet de sortir du cercle réalisés à partir des appareils et dispositifs électriques, électromagnétiques et électroniques.

Les calculatrices modernes et les ordinateurs effectuent des calculs comélectrotechniques et radiotechniques implique la considération des notions étroit de notions liées uniquement aux circuits électriques et de mieux comprendre le sens physique des phénomènes électriques et magnétiques.

Cet emploi à l'échelle industrielle des divers dispositifs et équipements

Introduction

commençait par frotter un morceau d'ambre (sorte de résine fossile que les
métalliques) avec un morceau de fourrure. On était alors capable d'attirer
Grecs nommaient elektron). Puis on frottait des plumes d'oiseau (ou des fils

CertainsphénomènesélectriquesintriguèrentdéjàlesanciensGrecs.On

frottait énergiquement (électrostatique).

les plumes d'oiseau grâce à l'ambre (expériences de Thalès, vers 600 av JC). Bien plus tard, au xVI`eme siècle, le chercheur anglais Gilbert suggéra d'appointe en métal, il le fit voler au cours d'un orage. Il apporta alors la preuve peler "électricité" la cause de cette force d'attraction. Il découvrit aussi que d'autres matériaux, comme le verre, devenaient électriques lorsque on les simples pointes en fer attachées en haut du bâtiment et reliées au sol par que les nuages d'orage étaient électrisés, car le cerf-volant leur prenait de l'électricité. En conséquence de quoi, on put construire les paratonnerres (de

En 1752, Franklin réalisa sa célèbre expérience du cerf-volant. Muni d'une

des fils conducteurs). En 1785 Charles Coulomb réussit à mesurer précisé-

- positive ou négative - alors que les masses, elles, ne sont jamais négatives). une énorme différence (les charges électriques pouvaient être de deux natures électrostatique ressemblait à la force gravitationnelle de Newton mais avec

la distance entre les charges électriques responsables. Il constata que la force ment les forces électrostatiques d'attraction et de répulsion, en fonction de

trempé dans de l'eau salée). Après la découverte du courant et de la pile, des solutions chimiques. Il en déduisit que l'origine du courant électrique était plutôt due à la jonction des deux métaux différents. Il perfectionna

telle l'électrodynamique entre autres (Ampère, Ohm, Joule, etc.).

continu grâce à du cuivre, de l'argent et du zinc (séparés par du buvard les scientifiques étudièrent de plus en plus les "mouvements de l'électricité", son système qui devint la pile électrique. Une pile livrait un petit courant

Par la suite, Volta expérimenta en combinant différents métaux reliés par

teurs électriques. Auparavant, les piles ne livraient que du courant continu
chers. Dès 1830, Faraday réussit à produire du courant grâce au mouvement
et le prix de revient était élevé à cause des composants chimiques, rares et
moitié du XIXme siècle, fut rendue possible grâce à l'invention des généra-
L'utilisation à grande échelle du courant électrique, à partir de la deuxième

namo).

mécanique d'un conducteur métallique entre les bras de fer d'un aimant (dytrielle d'électricité, à bas prix et en grande quantité, devint possible. Depuis prendre comment ces phénomènes étaient possibles. La production indus- alimentations a connu un développement fulgurant à partir du XX`eme siècle. l'homme n'a cessé de mener des recherches dans ce domaine aboutissant à l'avènement de l'électrotechnique qui est une application de l'électricité dans

La théorie électromagnétique de Maxwell, en 1860, permit enfin de coml'entreprise. L'électrotechnique ou l'étude des machines électriques et de leurs veau des installations industrielles afin d'avoir une tension constante quelque triel.

grande puissance, ont été d'une importance capitale dans le secteur indusglage de la vitesse des machines à courant alternatif et à courant continu de

fait indispensable de faire son étude, c'est cela qui a suscité d'ailleurs l'intérêt tension électrique au niveau des installations industrielles.

de maintenir à tout prix dans l'industrie une tension invariable il est tout à C'est dans ce cadre, qu'il est obligatoire de réguler la tension électrique au ni-

En effet les évolutions les plus récentes en ce domaine, notamment le ré- de ma réflexion sur ce thème de mémoire portant sur : la régulation de la soit les aléas du réseau électrique ou des dispositifs industriels. Vu la nécessité trie en prenant l'exemple des machines à courant continus, des machines à trique et de régulation, j'examinerai ensuite, dans quelles conditions la né- les techniques de régulation. Je terminerai sur ses applications dans l'induscessité de réguler la tension électrique s'impose à l'industrie, puis j'étudierai

Dans un premier temps je tenterai de définir les notions de tension élec-

courant alternatifs tels que les moteurs asynchrones et les transformateurs.

de la tension électrique au niveau des installations industrielles.

sur le thème et je formulerai mon point de vue personnel sur la régulation

En guise de conclusion, je donnerai une synthèse de l'étude qui a été faite

Première partie

Aspects théoriques de la tension

électrique

Chapitre 1

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