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Régulation de la tension électrique dans les installations industrielles

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

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1.6 Les tensions : triphasées et monophasées (phase (s), neutre)

est proche de celui de la terre, soit 0 V) et la phase dont le potentiel varie
conducteurs arrivent à votre compteur électrique : le neutre (dont le potentiel

Presque tous les particuliers sont alimentés en 230 V monophasé. Deux voit une flèche tournante et la forme sinusoïdale associée en triphasé, il y a pour le neutre soit bleue. Les fils de phases peuvent avoir n'importe quelle entre -325 et H-325 volts. La norme impose que la couleur des fils utilisés 3 flèches tour décalées de 1/3 de tour : ce qui peut-être représenté comme le courant est produit en triphasé. Si l'on se réfère au figure ci-dessus où l'on couleur (hormis le bleu, et le vert/jaune). En réalité, au niveau des centrales, suit:

FIG. 1.2 Tension triphasée

au point commun entre les 3 bobines du secondaire.

niveau du transformateur qui va abaisser la tension , le neutre est connecté C'estpourquoi,leslignesélectriqueshautetensiononttoujours3fils.Au

FIG. 1.3 Tension triphasée :Haute tension & tension 220V avec terre
teur d'électricité ( SENELEC ) répartit la connexion des habitations entre
sans doute pas branchés sur la même phase. Cela n'a aucune importance sauf
ces phases. Si vous êtes en monophasé tout comme votre voisin, vous n'êtes
si vous vouliez dîner chez lui en laissant dormir votre nouveau-né et que vous

Pour que la consommation soit équilibrée entre les 3 phases, le distribudisposez d'émetteur-récepteur pour Bébés qui se branchent sur le secteur car le signal transite par le secteur.

1.7 Transfert et transformation d'énergie dans un circuit électrique

aux électrons constituant le courant, et en énergie calorifique (échauffement Dans le cas de la dynamo, de l'énergie mécanique est fournie par un opérateur donc un travail.

Le générateur propulse les électrons du pôle H- vers le pôle -. Il effectue des fils de la dynamo pertes faibles). L'énergie mécanique transformée en rement inférieure à l'énergie mécanique fournie par l'opérateur pour tourner énergie électrique est égale au travail effectué par la dynamo. Elle est légè(qui tourne la manivelle) et est transformée en énergie électrique transférée

transformée par seconde.

transforme en énergie mécanique (et en énergie calorifique pertes faibles). La puissance est le travail effectué par seconde, donc l'énergie transférée ou la manivelle (frottements inévitables!).

L'énergie électrique reçue par les électrons est cédée au moteur qui la

W

P =t

La puissance électrique de la dynamo est l'énergie mécanique transformée en

seconde.

énergie électrique par seconde. La puissance électrique du moteur est l'énergie électrique transformée en énergie mécanique et en énergie calorifique par 1.8 La puissance électrique

cas : l'intensité à travers la dynamo est la même!

Le nombre d'électrons propulsés par seconde est le même dans les deux

~Pour qu'un courant traverse la lampe un très grand nombre d'électrons pulsé avec une certaine force ce qui équivaut à une certaine tension de doit être propulsé : la dynamo doit travailler : elle a une certaine puis- la dynamo.

Pour qu'un électron soit propulsé à travers une lampe il doit être pro-

sance!

~Pour que le même courant traverse les deux lampes la dynamo doit travailler deux fois plus (par seconde).

à une tension double.

doit être propulsé avec une force deux fois plus grande ce qui équivaut Pour qu'un électron soit propulsé à travers les deux lampes en série il

namo sont proportionnelles. (1) P

La force de propulsion d'un électron est la même dans les deux cas : la tension de la dynamo est la même!

Conclusion : Pour une même intensité, la puissance et la tension de la dy-

namo sont proportionnelles. (2) P ~ J

Conclusion : Pour une même tension, la puissance et l'intensité de la dy-

~ U.

volt Si P 1 Wet I 1 Aalors U 1V.

Définition : Il existe une tension de 1 V aux bornes d'une dynamo si elle 1.8.1 Relation entre puissance tension et intensité

fournit une énergie électrique de 1 J en 1 seconde à un courant de 1 A ( 6,25 Les physiciens ont choisi la valeur 1 pour cette constante ce qui définit l'unité

(1) et (2) implique que P ~UI et donc que P/UI constante

ù10 18 électrons par seconde). Relation entre puissance , tension et intensité: P=U*I

1.8.2 Généralisation

La formule vaut pour tout appareil électrique.

P=U*I

fermé est nulle bien que l'intensité de courant ne soit pas nulle. D'après la rie est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun des La tension aux bornes d'un ensemble de plusieurs éléments en sépas d'énergie électrique en une autre forme d'énergie (les électrons traversent éléments.

La tension aux bornes d'un simple fil de connexion ou d'un interrupteur

le fil sans que leur énergie ne varie).

puissance électrique d'un fil de connexion est donc nulle : le fil ne transforme
P=U*I

aux bornes de chaque appareil.

prise de courant dont la tension est de 220 V?

La tension aux bornes de plusieurs éléments en série est la somme des tensions

* Finalement : UG'en'erateur = ULampe + UAmp`erem`etre

Réponse : elle est égale à 220 V

Question : Quelle est la tension aux bornes d'une lampe connectée à une

une tension de 220 V aux bornes de tous les appareils!

Exemple : Tous les appareils domestiques sont branchés en parallèle : il règne 1.8.3 Tension aux bornes d'éléments places en parallèle La tension aux bornes d'éléments en parallèle est la même!

1.8.4 Classification des réseaux électrique et les tensions normalisées

nomenclature ci-dessous:

En fonction de sa valeur efficace , une tension peut être classée selon la

Nom

Haute Tension B

Abréviation HTB

Valeur en courant continu > 75 kV

Valeur en courant alternatif > 50 kV

Haute Tension A Basse Tension

HTA BT

1500 V < HTA < 75 kV 120 V < BT < 1500 V

1000 V < HTA < 50 kV 50 V < BT < 1000 V

Très Basse Tension

TBT

< 120 V

< 50 V

 
 
 
 
 
 
 
 

TAB. 1.1 Nomenclature en fonction de la tension efficace

Classe

Tension nominale du réseau 3fils

4fils

Basse tension ( BT )

120/240 (monophasé)

 

Moyenne tension ( MT )

480 600 2400

4800

120/203
277/480
347/600

Haute tension (HT )

4100

6900

13800 23000 34500 46000 69000

138000
161000

7200/12470 7620/13200 7970/13800 14400/24940 19920/34500

Très haute tension ( THT )

115000

230000 345000 500000 735000

 
 

765000

 

TAB. 1.2 Tensions normalisées des réseaux électriques en courant alternatif

tricité sont passées d'un peu moins d'un milliard de kilowattheures (kWh) à plus de 11,5 milliards de kWh. La répartition des modes de production Sources d'énergies électriques

1.8.5 Aspects techniques et pratiques de la tension

de l'énergie électrique a également évolué : en 1950, près des deux tiers de

Entre 1950 et 1990, la production et la consommation mondiales d'électrales hydrauliques en produisaient 2% et l'énergie nucléaire environ 15%. l'électricité étaient issus de sources thermiques classiques (pétrole, gaz, char-

bon)

Depuis, la croissance de l'énergie nucléaire a ralenti dans certains pays pour des raisons de problèmes de sécurité et de traitement des déchets, notamment et un tiers, de sources hydroélectriques; en 1990, les sources thermiques étaient toujours à l'origine des deux tiers de l'électricité mondiale, les cenaux États-Unis, où elle fournissait environ 20% de l'énergie électrique. turbo-alternateur à eau ou à vapeur, qui actionne un générateur. La plus

grande partie de l'électricité mondiale est produite dans des usines thermiques alimentées au charbon, au fioul, à l'énergie nucléaire ou au gaz et, Centrales électriques

interne, ou dans des usines hydroélectriques.

en de plus petites proportions, au diesel et autres installations à combustion

L'électricité est produite dans les centrales électriques au moyen d'un Elles sont équipées d'un générateur de vapeur, d'une turbine et d'un condenseur. Les différentes sources d'énergie peuvent être classées selon leur capacité Par exemple, 1àkg de pétrole produit 10000 kilocalories (kcal), alors que la calorifique : c'est pourquoi on les convertit en tonnes équivalent pétrole (tep). produisent de l'électricité par la combustion du charbon, du fioul ou du gaz. de comparer les sources d'énergie au pétrole brut. Par convention, 1 tonne

Les centrales thermiques classiques, appelées aussi centrales à flamme, environ 8000 kcal. La tonne équivalent pétrole (tep) est l'unité permettant de pétrole correspond à 1,5 tonne de charbon ou à 1000 m3 de gaz naturel. même masse de charbon cède 7000 kcal et que 1 kg de gaz naturel fournit

= 4500kW

On estime que 1tep

1. Centrales hydrauliques (pression de l 'eau avec des turbines) En effet il existe trois (3) types de centrale qui sont:

- Les moyennes chute 30m<H<200m;

Elles sont classées en trois (3) catégories:

Les basses chute H<30m.

Les hautes chutes H>200m;

h.

2. Centrales thermiques à flamme

en brûlant du combustible tel que le charbon, le gaz ou le fuel.

Elle produit l'énergie électrique à partir de l'énergie calorifique obtenue

3. Centrales thermiques nucléaires

Son schéma de fonctionnement est constitué par:

Un générateur de vapeur;

teur on à de l'uranium 235 qui est le siège d'une réaction nucléaire qui Un alternateur.

teur. Cette production de chaleur est réalisée par fission nucléaire de Dans une centrale nucléaire on a remplacé les brûleurs de combustibles produit une grande quantité de chaleur, grâce à un fluide dit caloporsoit avec du charbon ou du fuel par un réacteur. A l'intérieur du réac-

Une turbine;

l'uranium 235.

Tensions

trale 1, les lignes à haute tension, les centrales auxiliaires, dans lesquelles on appropriée. Ce réseau électrique comporte six éléments principaux : la cenbasse tension. Ainsi, chaque phase du réseau peut fonctionner à la tension lisé en général dans les réseaux électriques modernes, en haute, moyenne ou

Des transformateurs changent la tension du courant alternatif (CA), utiabaisse la tension pour le transport moyenne tension, les lignes de transport utilisé par le matériel du consommateur.

Dans un réseau type, les générateurs de la centrale fournissent des tensions moyenne tension et les transformateurs, qui diminuent la tension au niveau haitables en raison des difficultés d'isolation et des dangers provoqués par pouvant atteindre 26000 volts (V). Des tensions supérieures ne sont pas sou- 566 MVA.

Au Sénégal, le parc de la production à une puissance totale installée de de transformateurs pour les lignes de haute et de très haute tension (la très d'éventuelles coupures d'électricité. Cette tension est augmentée au moyen la centrale auxiliaire, la tension est abaissée pour un transfert ultérieur sur le réseau de transport moyenne tension (20 kV). La tension est abaissée par haute tension est à 225 et 400 kV; la haute tension est à 45, 63 et 90kV). A sion permet la conversion économique de courant alternatif (CA) haute tendes transformateurs à n'importe quel niveau de distribution.

Le développement moderne des redresseurs semi-conducteurs haute ten-

sur lignes à haute tension

'ensemble de transformateurs qui augmentent la tension électrique pour le transport

sous forme alternative juste avant la distribution aux utilisateurs.

sion, produit au niveau des centrales, en courant continu (CC) haute tension, forme sous laquelle l'électricité est transportée. Cela évite des pertes de transmission capacitatives et inductives. Le courant est ensuite reconverti

tous les calculs et raisonnements sont plus compliqués qu'en continu car il Définition du facteur de puissance

watts) et la puissance apparente S (en voltampères). Il varie entre O et 1 et y a une multitude de facteurs et de nouvelles puissances qui apparaissent. FP est un terme qui décrit les caractéristiques des signaux en entrée d'un appareil électrique utilisant du courant alternatif. Il faut savoir qu'en alternatif,

Pourallégerlesnotations,onnoteraFPpourFacteurdePuissance.Le

n'a pas d'unité:

Globalement, le FP est défini par le rapport entre la puissance active P (en

P uissance active

F P = Puissance apparente

faisant U*I*cos(?) en régime sinusoïdal, U étant la tension, I étant le courant
travail utile suivant la fonction de l'appareil électrique. Elle se calcule en

La puissance active P est la puissance utile : c'est celle qui produit un watts et c'est ce qu'on paye en tant que particulier grâce au compteur de la Voltampères (VA), attention ce ne sont pas des watts! Comme son nom le maison.

(tous les 2 en valeurs efficaces) et ? est le déphasage entre tension et courant. travail si le FP ne vaut pas 1. Dans ce cas, il y a apparition de ce que l'on réseau. Elle se calcule en faisant U*I en valeurs efficaces et s'exprime en C'est celle que l'on consomme réellement, ce qu'un wattmètre mesure en laisse supposer, elle n'est qu'apparente car c'est ce que semble consommer

fois)tème et elle s'exprime en Voltampères réactifs (VAR). Elle se calcule en faisait . D dans le cas de signaux déformés non sinusoïdaux (à cause des encore une

appelle la puissance réactiveQà laquelle s'ajoutera une puissance déformante l'appareil vu de l'extérieur. Or, une partie de celle-ci sera non productrice de

La puissance apparente S est celle qui est appelée par l'appareil sur le

exemple. Elle fait transiter un courant supplémentaire bien réel dont il faut

Cette puissance réactive Q n'est en moyenne pas consommée par le sys-

U * I *

tenir compte dans le dimensionnement des installations électriques. Il en va de même pour la puissance déformante. Toutes ces puissances sont finalement reliées par cette égalité:

sin(?) en régime sinusoïdal. Elle sert à magnétiser des bobinages par

S2 = P 2 + Q2 + D2

utilisera réellement que 8 pour produire un travail utile. Le reste sera renvoyé
au réseau car le courant est réel et c'est ce qui surcharge ce réseau (H- pertes
accrues dans les câbles). C'est pour cela qu'on n'utilise pas la simple formule

Un système peut très bien appeler 10 A sur le réseau, alors qu'il n'en

P = U *

consommera que 250 W si son FP vaut 0.5, et non pas 500 W.

La formule est fausse et surévalue la consommation réelle dans des systèmes
au final. Un appareil qui absorbe une puissance apparente de 500 VA ne
à courant alternatif. Ces systèmes ne sont plus simplement résistifs, mais

I en alternatif car la puissance n'est pas forcément consommée. facteur de puissance minimum car s'il est trop faible, le courant appelé est également capacitifs (condensateur) ou inductifs (bobinage), donc complexes fournir une puissance active (utile). Si elle autorisait les petits facteurs de parente en VA, pas pour une puissance active en watts! Si on génère beau- électriques. En effet, ses transformateurs sont définis pour une puissante apbien plus grand que nécessaire et on diminue la capacité de ses installations

Par exemple, le fournisseur d'électricité impose à ses clients d'avoir un les pertes augmenteraient aussi, ce qui n'est pas envisageable vu leur valeurs puissance,la SENELEC devrait surdimensionner tout son réseau, ce qui est coup de puissance réactive, on diminue la capacité des transformateurs à bien sûr hors de question pour des raisons évidentes de coût. Sans parler que moins, si la SENELEC a besoin de renforcer son réseau, c'est votre argent actuelles.

qui va servir à cela indirectement car le coût de l'électricité aura sûrement
ne changera pas sa facture puisqu'il ne paye pas la puissance réactive. Néan-
grimpé... Avec un grand FP, on utilise mieux le réseau et on fait plaisir en

Pour un particulier, avoir un facteur de puissance proche de 1, ou non,

même temps à la SENELEC en consommant mieux, pas moins.

jeu, contrairement aux particuliers. tenterdeneutraliserledéphasagegénéréparlesmachinesdeproduction.Il y a des pénalités pour ceux qui tirent trop de puissance réactive car les cou-

sont obligés de relever leur facteur de puissance global. Ils peuvent le faire chines avec de gros moteurs développant beaucoup de puissance réactive,

C'est pour ça aussi que les industriels par exemple, qui utilisent des ma- facturés sur les 2 puissances à la fois (active et réactive) vu les puissances en rants deviennent élevés et le réseau s'en trouve surchargé. Ils sont d'ailleurs grâce à des batteries de condensateurs montés sur l'arrivée du courant pour Si vous disposez d'un onduleur, vous aurez remarqué qu'il est aussi défini

Prenons un autre exemple qui fera assez bien comprendre le phénomène.

min avec l'ordinateur allumé (150 W) qui comporte une alimentation avec un FP égal à 1 (FPC actif). Maintenant, vous changez juste l'alimentation pour tenir une certaine puissance apparente en VA. On oublie l'écran pour à 0.6 (sans FPC). Cette configuration vous permettra de tenir seulement 6 l'exemple et l'on suppose, lors d'une coupure de courant, que vous teniez 10 minutes alors que votre ordinateur consomme exactement la même puissance pour en mettre une d'exactement même rendement, mais avec un FP égal de puissance réactive et déformante à cause du petit FP, donc un courant utile qu'avant. A cause des harmoniques et du déphasage, il y a eu apparition réactive Q générée par le déphasage et la puissance déformante D générée plus élevé est tiré de l'onduleur, ce qui décharge plus vite la batterie pour rien.

par les harmoniques afin d'avoir puissance apparente puissance active.

Ce que l'on souhaite avec un FPC, c'est donc d'annihiler la puissance très exceptionnel où FP cos(?), c'est quand la tension et le courant tirés le cos(?) et le facteur de puissance, ça n'est pas la même chose. Le seul cas On limite alors le transport du courant au strict minimum et on maximise du réseau sont purement sinusoïdaux, autrement dit jamais (il y a toujours l'efficacité du transport d'énergie.

déformation, même minime). Voici les différences avec les 4 cas possibles: Il faut faire attention car il y a souvent confusion entre ce que l'on appelle

FIG. 1.4 Cas de différence de phase possible

cas 1 : c'est celui vers lequel on veut tendre avec un FPC. C'est celui qu'on

cas 2 : c'est celui obtenu quand la charge est purement inductive, elle ne tension).

obtient si l'on branche une résistance pure sur le réseau, elle n'engendre
déforme pas le courant, mais elle le retarde de 90?. Dans le cas d'une
aucune déformation ni déphasage (avance ou retard du courant sur la

cas 3 : c'est un cas rare où le courant est très déformé, mais il reste en phase avec la tension. On a donc cos(?)=1 car les 2 fondamentaux charge purement capacitive, le courant sera aussi non déformé, mais en avance sur la tension cette fois de 90?.

sont en phase, mais FP est inférieur à 1 à cause de la déformation du courant.

cas 4 : c'est le mélange des cas 2 et 3 (non représenté). Le courant est à la

Le cos(?), aussi appelé facteur de déplacement, représente le décalage tension. C'est ce qu'on obtient avec une alimentation sans FPC et plus fois déformé et déphasé, dans un sens ou dans l'autre, par rapport à la globalement avec un système réel (non linéaire).

(-90? < ?

facteur de puissance. Ce FP englobe à la fois le déphasage et un facteur de 90?) entre le courant et la tension lorsque les 2 sont purement <

jamais avec des signaux parfaits. Pour être plus global, il faut alors parler de ignore les harmoniques, il est donc peu intéressant vu que l'on ne travaille sinusoïdaux. Le cos(?) ne se base que sur les fréquences fondamentales et distorsion supplémentaire créé par les harmoniques. Il est donc un peu plus rigoureux car il marche pour tous les types de signaux. On peut le définir de la manière suivante:

FP=Kd*Kè

fondamental du courant et la tension et il varie aussi entre 0 et 1. Le but est le taux de distorsion harmonique global (THD) qui définit globalement la déformation d'un signal sinusoïdal. Kè est le facteur de déphasage entre le de maximiser les 2 à la fois pour tendre vers FP 1. Comme les harmoniques

Kd est le facteur de distorsion, il varie entre 0 et 1. Il se calcule avec

limites à respecter sur leurs niveaux.

sont directement rattachées au facteur de puissance, la norme a imposé des

Matériel de transport

1. Installation

général de câbles de cuivre, d'aluminium ou d'acier enrobé de cuivre ou
d'aluminium, suspendus à des pylônes, hautes tours à structure d'acier,
des trois câbles en alliage d'aluminium correspondant chacun à chacune
par des chaînes d'isolateurs en porcelaine. On appelle circuit l'ensemble
Les lignes des réseaux de transport haute tension se composent en
des phases du courant alternatif triphasé. A ceux-ci, on ajoute deux
paratonnerre. L'emploi de câbles d'acier enrobés et de pylônes permet
"câbles de garde", placés au-dessus du circuit, et qui font office de

d'augmenter la distance entre les points d'appui et de réduire ainsi le sont suspendues à de hauts poteaux en bois ou en béton, moins es- cuits droits, les lignes haute tension peuvent comporter moins de quatre pylônes par kilomètre. Dans quelques régions, les lignes haute tension coût de la ligne de transport.

Dans des installations modernes, composées essentiellement de cirtribution s'effectue par câbles souterrains. Certains câbles ont un noyau pylônes. Dans les villes et dans d'autres secteurs où les lignes aériennes présentent un risque, ainsi que pour préserver l'environnement, la dispacés. Pour des lignes de transport moyenne tension et les réseaux de distribution basse tension, on peut utiliser des poteaux à la place des

2. Protection du matériel

tection temporaire contre l'humidité. Les tubes, dans lesquels plusieurs creux dans lequel circule de l'huile à basse pression, qui offre une pro- câbles sont enfermés et entourés d'huile sous haute pression d'environ transformateurs et des lignes de transport elles-mêmes. Le réseau se tité de matériel supplémentaire pour la protection des générateurs, des 15 atm (1,5 MPa), sont souvent utilisés pour le transport de courant à une tension pouvant atteindre 345 kV.

compose souvent d'appareils destinés à réguler la tension fournie aux consommateurs et à corriger le facteur de puissance du réseau.

Tout réseau de distribution électrique englobe une grande quantions susceptibles de provoquer une élévation soudaine de l'intensité clenchant automatiquement en cas de court-circuit ou dans des condicommutation normales. Ces coupe-circuit sont des disjoncteurs se dé- d'éventuels courts-circuits et surcharges et servent à des opérations de

Des coupe-circuit protègent tous les éléments d'un réseau électrique

trique comme l'huile, afin de refroidir cet arc.

du courant. Lorsqu'un arc se forme entre les bornes du disjoncteur au
ligne de transport haute tension) sont immergés dans un liquide diélec-
moment où le courant est coupé, certains disjoncteurs plus importants
dans les disjoncteurs à huile, on utilise des champs magnétiques afin
(comme ceux utilisés pour protéger un générateur ou une section de
Autrefois, on utilisait pour cela des fusibles. Le fusible se compose d'une
d'interrompre l'arc. De petits disjoncteurs à air sont utilisés pour proté-
ger les boutiques, les usines et les installations domestiques modernes.
Dans les disjoncteurs à air de grande taille, de la même façon que
cuit, il fond lorsque l'intensité du courant excède une certaine valeur
pièce d'alliage dont le point de fusion est très bas. Inséré dans le cir-
(correspondant à la température de fusion de l'alliage), ouvrant ainsi

3. Pannes de secteur

le circuit.

trique sont branchées sur des réseaux maillés, qui permettent à l'élec-
tricité produite dans un secteur d'être reliée aux différents utilisateurs.
gions du monde, les alimentations nationales ou locales en courant élec-
importantes. Pour se protéger des pannes de Dans la plupart des ré-
200000km2. On emploie le terme de black-out pour les pannes les plus
La panne de secteur a touché finalement une zone de plus de
crue, d'une utilisation de générateurs plus gros et plus efficaces et d'une
portent des éléments actionnés par différents opérateurs et offrent une
compensation par interconnexion en cas de pannes locales de secteur.
Chaque membre du groupement bénéficie d'une capacité de réserve ac-
le 9ànovembre 1965, dans l'est de l'Amérique du Nord, lorsqu'un dis-
Par exemple, une panne importante s'est produite sur le réseau maillé
économie importante, mais augmentent le risque d'une panne étendue.
Ces réseaux interconnectés sont complexes et importants. Ils com-

ment.Etats-Unis et les disjoncteurs du générateur ont disjoncté automatiquementation subite de courant a été transmise à travers le nord-est des positif directeur automatique qui régulait et gérait le débit du courant s'est arrêté en Ontario, mettant le disjoncteur hors circuit. Une augles hôpitaux, les édifices publics et d'autres installations dépendant de et ont surchargé les installations, qui se sont automatiquement courant, l'électricité possèdent des générateurs de secours.

Les installations situées plus au sud ont immédiatement compensé

Influence de la température

1. Comment doit être définie l'alimentation

ture devient un problème. Dans ce cas, on pourra même ventiler moins des contacts, des radiateurs et de la température de l'air qu'on aspire (air dans la tour vers 25-40?C suivant la machine et l'ambiant). Plus l'alimentation a un rendement global élevé, moins la tempéra-

Leur rendement, de l'importance de la ventilation, de la qualité vie et ses performances diminueront (condensateurs électrolytiques qui vieillissent plus vite par exemple).

vie des composants. Plus l'alimentation sera chaude, plus sa durée de
pour garder une température acceptable sans avoir des nuisances so-
nores élevées. La température a aussi une incidence sur la durée de
définie en fonction de la température de l'air pour son refroidisse-
La capacité d'une alimentation à fournir de la puissance doit être

ment. C'est une donnée quasiment toujours absente des spécifications tations soient capables de tenir leur puissance maximale annoncée (à à fournir une puissance donnée, pas de rendement.

constructeur pour la simple raison qu'elle permet de tricher facilement sur ses capacités réelles. Attention, on parle pour l'instant de capacité d'entre elles ne tiennent pas compte de cela et se mettront en sécurité pleine charge) entre 10 et 50°C ambiant. Bien évidemment, beaucoup avant ou verront simplement leur capacité diminuer fortement.

Les spécifications de la norme ATX 2.2 demandent que les alimenest dangereux d'aller, en général vers 70°C. Cette température permet c'est trop peu par rapport à la réalité. Ce qui n'apparaît quasiment jamais c'est la température maximale où la capacité devient nulle ou qu'il maximale donnée entre 0 et 25°C, ce qui n'a pas trop de sens puisque

Les alimentations sont généralement définies pour une puissance tation haut de gamme PC Power Cooling et d'une alimentation bas de degré Celsius en plus au dessus de 25°C. Voici l'exemple d'une alimendisponible totale avec par exemple une perte de 10 W pour chaque la température. Plus l'air devient chaud, plus on perd en puissance de tracer l'évolution de la capacité d'une alimentation en fonction de gamme:

FIG. 1.5Comparaison alimentation haut de gamme et bas de gamme

et l'on atteint 0 W disponibles à 70-80°C. Dans cet exemple et en supposant que l'air de la tour soit à 40°C, votre alimentation 500 W bas 500 W à 25°C, mais sa capacité diminue très vite avec la température

Dans le bas de gamme, on vous promettra qu'elle tient (peut être)

tra des turbines en guise de ventilation pour forcer le refroidissement rien fait encore! On peut aussi supposer que le fabricant sait très bien qu'elle ne tiendra pas ses spécifications en situation réelle et il met- de gamme ne permettra déjà plus que 350 W maximum alors qu'on a faire tourner un ventilateur en 12V que d'acheter des composants de meilleure qualité.

et tiendra ses spécifications avec, par exemple, 500 W à 50?C avant et améliorer son comportement. En effet, cela revient moins chère de de décliner sous ce qui est annoncé. Normalement, on n'atteint jamais la limite haute... Cette bonne alimentation achetée pour 500 W sera donc réellement une 500 W en situation réelle, et non pas une 500 W

A l'inverse, une alimentation haut de gamme sera surdimensionnée

s'effondrant à 350 W dès qu'il fait un peu chaud.

lui permet de monter moins haut en température, donc de réduire la
sontquasimentidentiques,maisla500Wpossèdeunventilateur.Ça

On peut prendre l'exemple des Antec Phantom 350 et 500 W qui

fiable.

tains rapports sur des tests fabricants pour des alimentations passives qu'en rajoutant un ventilateur sur la 350 W et en relaxant les sécurités perte de puissance par degré et au final d'afficher 150 W de plus alors que les composants n'ont pas vraiment changé. Il est à peu près certain montrent également ce phénomène qui veut qu'en ventilant un peu, de surcharges, elle doit pouvoir tenir plus de puissance aisément. Ceron augmente nettement la capacité disponible en courant de manière c'est encore bien loin de la perfection donc la dissipation élevée fait nir une grosse puissance sans faiblir. Même si le rendement est de 80%,

C'est d'ailleurs toute la difficulté des alimentations passives de four-

2. Raisons de la perte de capacité:

W sur l'alimentation, c'est plus normatif qu'autre chose disons.

ser de ventilation. Néanmoins, ça ne pose pas réellement de problème nettement grimper la température et on perd en capacité. Quand on

car on n'est jamais tout le temps à pleine charge en train de tirer 300 atteindra 95% de rendement en charge typique, là on pourra bien se pas-

Cette perte de capacité est liée au fait qu'à partir d'une certaine tem-

température (la résistance série équivalente augmente) et leur capacité pérature, certains composants voient leurs caractéristiques électriques ment responsables du courant maximum possible sur chaque ligne. Les

décliner. C'est notamment le cas des diodes Schottky qui sont directe-

à laisser passer du courant aussi.

MOSFETs voient aussi leurs pertes par conduction augmenter avec la

entre une barrière Schottky issue d'une Seasonic S12 et d'une LC Power 550 W:

Ci-dessous, on montre ce phénomène d'après les données des fabricants

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

FIG. 1.6 Comparaison d'après les données fabricants entre une barrière Schottky c'est 15 A par diode et il y en a 2 dans une barrière) jusqu'à ce que sa température atteigne 125?C (déjà bien haut), après quoi elle com-

Pour la Seasonic S12, la barrière peut tenir 30 A (sur le schéma ture de jonction de 60?C est déjà une température quasiment atteinte téristiques, son rendement n'est pas terrible et elle va chauffer plus que atteigne seulement 60?C, après quoi elle s'effondre! Vu ses autres caracmence à faiblir pour ne plus fonctionner à 150?C. Pour la barrière sur celle de la Seasonic, donc accélérer sa perte de capacité. Une tempéra- la LC Power, elle ne tient que 16 A (là c'est pour les 2 diodes et il y a 2 barrières en parallèle pour tenir 32 A maximum) jusqu'à ce qu'elle en fonctionnement normal.

de coût évidemment. La Seasonic S12 tiendra ses spécifications, même dans les pires situations qu'on puisse rencontrer, car elle est suffisamde leurs spécifications, mais leur durée de vie en pâtira sérieusement. ment surdimensionnée. Bien sûr, on peut surcharger les diodes au delà

Autrement dit, la LC Power est sous dimensionnée pour des raisons

Et enfin dernière chose, relier le rendement à la température n'est

dire qu'il baisse quand la température augmente et inversement. Néanpas forcément aussi évident qu'il n'y parait. On aurait tendance à moins, certains composants travailleront peut être mieux à 40?C qu'à 25?C. L'ESR des condensateurs diminue quand la température augdes barrières Schottky diminue aussi quand la température augmente mente donc un peu moins de pertes, ou bien encore la chute de tension a tellement de choses qui varient dans un sens ou dans l'autre que le (à courant égal), donc elles engendrent aussi moins de pertes, etc. Il y ture est négligeable ou non. Avec des bons composants, il y a peu de pérature d'aspiration de l'air entre 25? et 50?C par exemple pour voir seul moyen de le savoir est de tester globalement. Il faudrait charger une alimentation avec une puissance constante, puis faire varier la temcomment évolue le rendement et si vraiment l'influence de la tempéra- chances que la perte de rendement soit élevée entre 30 et 40?C typiques (en supposant que ça baisse).

1.8.6 Cas pratique exemple de la senelec

Données extraites du Rapport Annuel 2004 de la SENELEC

Le parc de production

Soit au total : 514,5 MW.

Les besoins nationaux sont couverts par:

La Centrale privée GTI : 52,0 MW

La centrale Manantali au Mali: 66,0 MW

Le parc propre de Senelec : 396,5 MW

sente 91,6% de la puissance installée totale. Il est composé des équipements RI sur la puissance totale installée(non compris GTI et Manantali), repré361,9 MW et le réseau non interconnecté pour 34,6 MW. En 2004, la part du des centrales de:

Le parc propre de Senelec est réparti entre le réseau interconnecté pour

Kahône : 14,0 MW

Dakar: 393,9 MW

Les centres secondaires : 14,4 MW

La centrale de Tambacounda: 6,0 MW

La centrale de Boutoute : 14,2 MW

Quant au réseau non interconnecté, il comprend:

Saint Louis : 6,0 MW

La répartition par type d'équipement selon la puissance est la suivante:

FIG. 1.7 Répartition de puissance selon les équipements.

l'absence de mise en service de nouveaux groupes.

La capacité de production n'a pas connu d'évolution en 2004 du fait de

FIG. 1.8 Puissance installée par type de centrale en ZDD4.

II comprend:

Le réseau de transport

La puissance installée est répartie comme suit:

Puissance totale installée : 566 MVA

~Lignes 90 KV : 340kms
Postes HT / MT : 8

Lignes 225 kV : 760kms (issues de Manantali, au Mali)

FIG. 1.9 Répartition de la puissance installée.

Le reseau de distribution

Le réseau de distribution comprend:

FIG. 1.10 Réseau de distribution.

90% des lignes MT sont constituées de lignes aériennes.

FIG. 1.11 Longueur des lignes MT.

Source Direction des Réseaux Caractéristiques des sous stations

FIG. 1.12 Puissance des différentes sous stations.

Les postes MT/BT

FIG. 1.13 Les postes MT/BT

Postes MT/BT par délégation

Caractéristiques du réseau BT

Les 6390km de canalisations basse tension comprennent

Réseau aérien nu : 650km Réseau préassemblé : 5302km Réseau souterrain : 436km

La production

Elle s'élève à 6552MW enregistrant une hausse de 12%. La pointe minimale male appelée à la pointe a été de 343MW contre 319 en 2003, soit 7,5% de contre 1826GWh en 2003, soit une progression de 6,9%. La puissance maxi- plus qu'en 2003. La pointe a été obtenue le 15 octobre à 19 heures 30 minutes.

L'énergie totale disponible au cours de l'année 2004 s'élève à 1952GWh a été de 129 MW, soit une hausse de 14% par rapport à 2003. Elle a été atteinte le 27 décembre.

La production journalière maximale a été enregistrée le 19 Octobre 2004.

l'énergie totale produite. Le reste a été couvert par les achats d'énergie:

La production propre de Senelec est de 1307,1 GWh, soit 66,95% de

Autres : 0,768 GWh

Manantali : 293 GWh, soit 15%

GTI : 351 GWh, soit 17,98%

Répartition de la production

FIG. 1.14 Répartition de la production

Le parc d'apijpoint composé de C2 Vapeur; de C5 et des turbines à gaz, a Kahone, Boutoute.Tamba et les cenijtrales secondaires, est de I131.84 GWh. produit 171,86 GWh pour une prévision de 84.88 GWh. L'écart s'explique par les difficultés constatées sur le parc de base qui ont contribué à une

La production du parc de base qui comprend les cenijtrales CI, C3, C4,

utilisation plus poussée des moyens d'appoint.

aléas sur d'autres machines du parc.

Par rapport aux prévisions de production d'énergie, le déficit global de 5 GWh, soit au total 3,5 GWh.

sion de 79,25%. Comparé à 2003, il s'est légèrement détérioré de 1, 16%. GWh s'explique essentiellement par l'indisponibilité des turbines à gaz et les

L'unité de secours de Saint Louis a produit 3,397 GWh et Bakel 0,103

Le taux de disponibilité globale du parc a été de 75,67% pour une prévi-

Contribution du réseau interconnecté

augmenté assez rapidement en gagnant 14,7% sur son niveau de 2003.

La production du parc alimentant le réseau interconnecté de Senelec a L'essentiel de cette énergie (81%) a été produite au niveau des centrales

necté en 2004

FIG. 1.15 Courbes de charges des journées caractéristiques du réseau intercon-

41,8%.

à 74,73% dont 75,76% pour le parc de base et 71,54% pour le parc d'appoint.

de 29,08 F/Kwh.

entre 2003 et 2004. Le coefficient de disponibilité des centrales du RI s'établit
C32 et C4 du site de Cap des Biches avec des parts respectives de 39,2% et
d'appoint Le coût spécifique du RI est de 30,98 F/Kwh pour une prévision
Le rendement brut est de 94,97% pour le parc de base et 99,04 pour le parc
La production de ces centrales (93,4% du parc de base RI3) a cru de 17%

FIG. 1.16 Contribution du réseau interconnecté

2Cpour centrale 3, idem pour les suivants. 3réseau interconnecté

FIG. 1.17 Production, disponibilité et rendement du RI en 2004

s'est améliorée de 15,6% en 2004 soit 7,7 GWh dont 5,9 GWh pour Boutoute. Contribution des centrales régionales non interconnectés

La production totale des centrales régionales de Boutoute et de Tamba

FIG. 1.18 Production, disponibilité et rendement du RNI en 2004

par le raccordement du réseau de Sédhiou à la ligne issue de la centrale de à 22,63 GWh en 2004. Cette baisse, de l'ordre de 1,2% s'explique en partie Boutoute.

La disponibilité du RNI est de 85,63% pour un rendement de 96,58% en 2004 La production brute des centres isolés est passée de 22,9 GWh en 2003

FIG. 1.19 La disponibilité du RNI

l'énergie électrique chez les partenaires suivants:

Les achats d'énergie

a)

Centrales de production indépendante

En plus de l'énergie produite par ses propres centrales, Senelec achète de table à la baisse des achats sur Manantali (293,112 GWh en 2004 contre Les achats d'énergie auprès de GTI ont été 350,91 GWh en 2004 contre 346,2 GWh en 2003, soit une progression de 1,4%. Cette hausse est impu-

ICS, Sococim et la Sonacos pour les auto-producteurs.

GTI et Manantali pour la production indépendante;

production de Senelec d'autre part.

de 18,75% contre 19,7% en 2003.

337, 75 GWh en 2003) d'une part, et à la faible disponibilité du parc de
La puissance maximale fournie par Manantali n'a atteint que I 19 MW
La part de GTI sur la production totale annuelle des groupes du RI est

b)

Les auto-producteurs

sance représente le double de la puissance permise en marche normale. En plus de GTI et Manantali, Senelec achète de l'énergie auprès des Industries Chimiques sénégalaises (ICS), de Sococim et de Sonacos de contre 143 MW en 2003, soit une baisse de 20%. Toutefois, cette puis- Ziguinchor Pour 2004, les achats auprès de ces auto producteurs s'élèvent 768 MWh, répartis comme suit:

ICS : 58MWh

Sonacos : 320MWh

Sococim : 290MWh

FIG. 1.20 Evolution du prix des FO entre 2003 et 2004

Les Dépenses de Combustibles

d'énergie a beaucoup contribué à l'accroissement des dépenses. En effet, au second semestre, les prix du FO et du DO ont enregistré des hausses de 13% et 35%, respectivement par rapport au premier semestre précédent.

du chiffre d'affaire, soit une augmentation de où elles étaient de 38,2 milliards.

Z Elles se chiffrent à 42,3 milliards de Fcfa en 2004, et représentent 35,9%

L'évolution du prix des combustibles pendant la période de forte demande type de combustible avec la baisse du FO (-8%) et du Gaz (-49%) comparé celles de 2003 montrent des évolutions différenijciées des prix moyens selon le en gissement annuel. Les moyennes des 12 mois de 'année 2004 comparées à à la hausse du DO et du Kérosène de H-17 et H-33 % respectivement.

Par rapport à l'exercice précédent, le FO observe une forte hausse de 44%

4FO et DO sont des combustibles utilisés au niveau des centrales.

FIG. 1.21 Evolution des prix du DO entre 2003 et 2004

FIG. 1.22 Evolution des prix des autres combustibles (Kérozéne et gaz) en 2004

Production de Réseau interconnecté

milliards de FCFA). Cet écart est lié d'une part à la hausse prix du baril de coût spécifique de production s'élève à 32,36 FCFA/kWh pour une prévision 316g/kWh soit 10,5 g de plus de combustible pour chaque kWh produit Le de 30,25 FCFA/kWh, soit un écart défavorable sur le budget de 6,96% (2,1 I

Dans l'ensemble, la consommation spécifique passe de 312,6g/kWh à Les consommations de combustibles ont considérablement dépassées celles de pétrole et à l'augmentation de consommation de combustibles, d'autre part. ment de l'augmentation de la production.

2003. Cela est une conséquence du vieillissement du parc, des décalages de
'entretien préventif, du fort taux d'utilisation du parc d'appoint mais égale-

FIG. 1.23 Coût du combustible/réseau en Milliards de F cfa

FIG. 1.24 Poids des dépenses de combustibles par réseau en 2004

Réseau non interconnecté

48,51 soit un écart négatif de 5,07F.

Le coût spécifique du RNI est de 53,58F/Kwh, pour une prévision de

Producteurs privés

46,17F/kwh en 2004 du fait de la forte hausse du prix du combustible utilisé hausse des tarifs d'avril 2003. Le coût moyen d'achat du kWh y est à 18,74 FCFA contre 18,7177 FCFA en 2003.

Quant à Manantali, elle demeure la centrale la plus économique malgré la (H-70%).

Le coût variable d'achat d'énergie GTI est passé de 39,07 f/kWh en 2003 à

FIG. 1.25 Disponibilité et rendement du parc en 2004. Mouvements d'énergie

La production nette des unités de production propres à Senelec s'élève à I 95%. Le rendement production est resté constant au cours de ces dernières elle est de 77 GWh soit une hausse de 10%.

GWh soit une proljgression de 6,8% par rapport à l'année 2003. Pour le RNI, années. Il faut noter également que des centraijles comme Bel Air (93%) et Saint Louis (94%) restent en dessous du rendement global.

168 GWh pour une production brute de I 228 GWh soit un rendement de L'énergie nette appelée sur le RI au cours de l'année 2004 a atteint 1812

Transport

que le rendement net est de 97%. A noter que depuis l'année dernière, ce rendement est calculé pour le réseau de transport de Senelec seulement (réseau 90 kV); ce qui suppose qu'au niveau du poste de Tobène il n'a été considéré que les achats nets (160 053 MWh) et les émissions vers le RIMA (6 286

Le rendement brut du système Production -Transport est de 93% alors

postes sources du RIMA dans le calcul du rendement.

MWh). Cette hypothèse exclut les centrales de Kahone et Saint Louis et les

Distribution

32% de l'énergie distribuée en 2004. Toutefois, suite à la reconfiguration du
de Senelec s'élève à 1595 GWh contre 1501 GWh en 2003, soit une hausse
de 6%. Le poste de Hann demeure toujours le plus important du réseau avec
L'énergie ivrée à la distribution au niveau de l'ensemble des postes sources

tableau ci-après:

tandis que celui de Bel air enregistre un accroissement de 27%. L'évolution
réseau pour soulager ce poste, on note une baisse de 9% par rapport à 2003
de l'énergie distribuée selon les différents postes sources est illustrée par le

FIG. 1.26 Energie distribuée par source

de Dagana, Matam et Sakal.

leur utiijlisation plus importante suite à la baisse des achats sur Manantali.
Il faut aussi noter l'augmentation de la charge au niveau des postes sources

La hausse observée au niveau de Saint Louis et Kahone s'explique par à la faible disponibilité du parc de production (75% contre 77% en 2003) sur GTI. Ainsi des délestages par manque production ont été opérés durant combinée à la réduction des achats sur Manantali et la limitation de puissance QUALITÉ DE SERVICE

toute l'année à l'exception du mois de janljvier qui fait partie des périodes La qualité de service s'est dégradée par rapport à l'année dernière suite

de plus faible charge.

ment des clients HT (pour soulager les clients domestiques le soin durant les
bations dues à plusieurs autres causes : incidents, coupures diverses, effaceij-
En plus de ces délestages, la distribution a connu plusieurs autres pertur-

FIG. 1.27 Energie distribuée par source en 2004

contre 6.983 MWh pour l'année précédente soit une hausse de 97%. périodes de déficit).

L'énergie non distribuée du fait de ces perturbaijtions, s'élève à 13.743 MWh clenchement de transformateurs et/ou départs au niveau des postes sources). Les déclenchements de groupes

Néanmoins les déclenchements de groupes suite à des problèmes intrinsèques
par rapport à 2003. A noter que beaucoup de déclenchements de groupes ont
été causés par des incidents réseau (perte interconnexion avec Manantali, dé-

En 2004, 596 déclenchements ont été enregistrés soit une baisse de 21%

à la centrale restent majoritaires.

Les incidents

des incidents réseaux; elle se répartit de la manière suiijvante : 40% pour le premier semestre et 60% pour le second semestre. Le maximum de 1,154 GWh en 2003, soit une hausse de 64%. Cette END5 résulte essentiellement lieu en dehors des heures de pointe.

L'énergie non distribuée suite à des inciijdents est de 6,9 GWh contre 4,2 l'année, ce qui signifie que la plupart des déclencheijments de groupes ont eu GWh a été obtenu au mois de juillet.

L'END suite à des incidents production s'élève à 50 MWh pour toute

5Energie non distribuée.

Dakar et les régions.

Le tableau suivant donne la répartition des incidents par niveau tension pour

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

Délestages par manque de production

fois plus. De même le nombre de jours où il y a eu déficit de production a
achats sur Manantali et la limitation de puissance sur GTI combinées à l'aug-
mentation de la charge, l'énergie non distribuée par manijque de production

Du fait de la faible disponibilité du parc de Senelec, de la réduction des

doublé par rapport à l'anijnée dernière (87 contre 43 en 2003).

en 2003) suite aux raisons évoljquées ci-dessus.

(délestage et effaceijment) est de 5,5 GWh contre 1,8 GWh en 2003, soit trois Le maximum est toujours atteint au mois d'octobre (20 jours contre 12 jours Effacements clients haute tension

tenijsion (Ta'iba et Sococim), entre 19 heures et 24 heures. En 2004, il y'a d'énerijgie effacée de chaque client HT, ce qui constitue un paramètre percit, Sénélec a dû procéder à des effacements concertés avec les clients haute eu une augmentation aussi bien du nombre d'effacement que de la quantité

Pour soulager la clientèle domestique le soin durant les périodes de défi-

de producijtion aux heures de pointe.

mettant de mesurer aussi la profondeur du déficit et les contraintes du parc

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

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

La régulation

Chapitre 2

2.1 Définition de la régulaton

trique. Au préalable nous rappelons brièvement le contexte actuel et nous nable dans l'enseignement de l'électrotechnique d'aujourd'hui. Nous exposons dans ce livret technique la position du problème de la qualité de l'énergie élec2.1.1 Qualité de l'énergie électrique

précisons les critères d'évaluation de la qualité de l'énergie électrique.

La sensibilisation à la qualité de l'énergie électrique est devenue incontour-

2.1.2 Contexte

de garantir la qualité de la fourniture d'électricité. Les premiers efforts se sont portés sur la continuité de service afin de rendre toujours disponible l'accès tension, existent dans toutes les catégories d'utilisateurs:

avec le développement des équipements où l'électronique prend une place

Depuis de nombreuses années, le distributeur d'énergie électrique s'efforce à l'énergie chez l'utilisateur. Aujourd'hui, les critères de qualité ont évolué prépondérante dans les systèmes de commande et de contrôle.

Ces dispositifs sensibles, mais qui dégradent également la qualité de la de garantir les productions pour les entreprises, font de la qualité de l'énergie électrique un enjeu majeur pour les compagnies d'électricité et pour les L'utilisation en grand nombre des téléviseurs, magnétoscopes, lampes à économie d'énergie, l'ouverture du marché de l'énergie électrique, la nécessité

dans le domaine tertiaire avec le développement de l'informatique

dans le domaine domestique.

dans le domaine industriel par l'emploi de constituants d'électronique de puissance

fabricants d'équipements.

variation de 10% de l'amplitude de la tension se traduira par une perte de rectement liées à la qualité de la tension d'alimentation. Par exemple, une satisfaction de l'utilisateur. Les performances de ses équipements sont di- couple de 19% pour une machine asynchrone.

La notion de qualité du produit "électricité" est attachée au niveau de réseau, susceptibles de gêner les autres utilisateurs. Le distributeur (système par la qualité de l'électricité.

d'alimentation) et l'utilisateur (installations) sont l'un et l'autre concernés
Les équipements d'un utilisateur peuvent apporter des perturbations, sur le
2.1.3 Qualité de l'énergie électrique critères et défini-

tions

tion des perturbations électromagnétiques des réseaux électriques.

ment électromagnétique sans produire lui même des perturbations nuisibles aux autres appareils ou dispositifs.

d'un appareil, d'un dispositif, à fonctionner normalement dans un environne-
On parle de Compatibilité Électromagnétique 1 afin de caractériser l'aptitude

Les critères de qualité de l'électricité sont directement issus de l'observa-

mission: on parlera de perturbations conduites et de perturbations rayonnées.

La CEM classe ces perturbations selon deux groupes:

D'autre part, ces phénomènes sont caractérisés selon leur de mode transhautes fréquences ( >9 kHz).

basses fréquences ( < 9 kHz)

tensions continues dans les réseaux alternatifs.

servés sont nombreux : creux de tension et coupures, surtentions temporaires
aux basses fréquences dont la transmission est conduite. Les phénomènes ob-
ou transitoires, fluctuations lentes de la tension (flicker), variations de la fré-

De manière générale, les perturbations en électrotechnique appartiennent

quence, déséquilibres du système triphasé, harmoniques et interharmoniques,

~la symétrie du système triphasé.

Ils peuvent être regroupés en quatre catégories selon qu'ils affectent:

la fréquence,

la forme d'onde,

l'amplitude,

'C. E. M

est caractérisé parà:

2.1.4 Creux de tension et coupures définition Uncreuxdetensionestunechutebrutaledel'amplitudedelatension.Il

Hz soit 10 ms jusqu'à une minute.

entre 1 et 90% de la tension nominale pendant une durée de

La norme EN50160 fixe la diminution de la tension à une valeur située sa durée( t).

sa profondeur( U)2période à 50

valeur efficace de la tension toutes les

2période).

La mesure d'un creux de tension s'effectue par la détermination de la

2périodes (avec recouvrement d'une

FIG. 2.1Creux de tension

deur est supérieure à 90% et elle est caractérisée uniquement par sa durée

Une coupure brève est un cas particulier du creux de tension. Sa profon-

tismes des réseaux de distribution (réenclencheurs, isolations de défaut). Les coupures brèves sont généralement la cause de manoeuvres des automaou sur le réseau de distribution.

(inférieure à 3 minutes). Les coupures longues sont supérieures à 3 minutes. Les creux de tension sont dus à l'apparition de défauts sur l'installation

2.1.5 Surtensions temporaires ou transitoires - définition

liaison à la terre de l'installation:

La norme EN50160 fixe les niveaux de surtensions selon le schéma de réseaux à neutre à la terre (raccordé directement ou avec une impé-

trielle (50 Hz) ; surtensions de manoeuvre surtensions atmosphériques. Elles dance) : la surtension ne devra pas dépasser 1,7Un

apparaissent selon deux modes mode commun (entre conducteurs actifs et la

~réseaux à neutre isolé ou résonant : la surtension ne devra pas dépasser

masse ou la terre) ; mode différentiel (entre conducteurs actifs, phase-phase

Les surtensions sont de trois natures surtensions à la fréquence indus-

2Un.

ou phase-neutre).

réseaux aériens que sur les réseaux souterrains du fait des bien entendu des

faut d'isolement entre phase et terre, lors d'une surcompensation de l'énergie intempéries (excepté, s'ils sont raccordés départ sur le même réseau).

tion de la structure du réseau : mise en service de gradins de condensateur, et un condensateur. Les surtensions de manoeuvre découlent d'une modificaLes surtensions à la fréquence industrielle prennent naissance suite à un dé-

On observe un plus grand nombre de creux de tension et de coupures sur les

réactive ou encore lors d'une ferrorésonance provoquée par un circuit inductif

Les surtensions atmosphériques sont provoquées par la foudre soit directe- d'une ligne à vide.

ment, soit indirectement par augmentation du potentiel de la terre.

courants importants à la mise en service ou hors service d'appareil dont la enveloppe dont la fréquence est comprise entre 0,5 et 25 Hz.

Le phénomène est dû à la propagation sur les lignes du réseau d'appels de
de la tension de moins de 10%. La tension est modulée en amplitude par une
2.1.6 Fluctuation lente de la tension (Flicker)-définition

La fluctuation lente de la tension est une diminution de la valeur efficace flux lumineux (Flicker). Cette gêne visuelle est perceptible pour une variation ment sur des lampes à incandescence où elle provoque un papillotement du Les conséquences de la fluctuation lente de la tension s'observent essentielle- souder, les moteurs à démarrages fréquents...).

puissance absorbée varie de manière rapide (les fours à arcs, les machines à

de 1% de la tension.

FIG. 2.2 Fluctuation

aux autres. La quantification du phénomène fait appel à la décomposition de la composante fondamentale selon les composantes symétriques de Fortescue. sont pas égales en amplitude et/ou déphasées de 120? les unes par rapport

2.1.7 Déséquilibre du système triphasé de tensions-définition

mopolaire, le degré de déséquilibre inverse est le rapport entre la composante inverse du fondamental de la tension et sa composante directe:

On définit un degré de déséquilibre inverse et un degré de déséquilibre ho- Le déséquilibre du système triphasé s'observe lorsque les trois tensions ne

?Ui = | Uli |

| Uld |

homopolaire du fondamental de la tension et sa composante directe:

le degré de déséquilibre homopolaire est le rapport entre la composante ?U? = | Ul? |

| Uld |

dû aux charges monophasés ou aux déséquilibres du réseau. L'augmentation semaine. Le déséquilibre du système triphasé de tension est essentiellement des machines asynchrones, l'existence de couple inverse conduisent à la dé- sur les valeurs efficaces calculées sur 10 minutes pour 95% du temps d'une

La norme EN50160 fixe le taux de déséquilibre inverse admissible à 2%

gradation prématurée des machines.

FIG. 2.3 Déséquilibre de tension

2.1.8 Harmoniques et interharmoniques définitions

ternance de la sinusoïde de tension à 50 Hz. Ils absorbent alors un courant pareils ne présentent pas une impédance constante durant la durée de l'alHarmoniques:

Les harmoniques sont des signaux de fréquence multiple de la fréquence

tension.

industrielle. Ils sont générés par des charges dites non-linéaires. Certains apmultiples à celle du fondamental (50 Hz pour le réseau de distribution). non sinusoïdal qui se propage dans le réseau et déforme ainsi l'allure de la peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux de fréquence une composante à la fréquence de 250 Hz, soit 5 x 50 Hz) et par son amplitude exprimée en pourcentage par rapport à celle du fondamental.

Chaque composante est caractérisée par son rang (par exemple rang 5 pour
Une tension ou un courant déformé par rapport à la sinusoïde de référence
On caractérise la pollution d'un réseau de manière globale par le taux de

distorsion harmonique2 en tension ou en courant:

X+ 8

n=2

Ut

tu u u u v

Un 2

THDu = 100 *

fréquence industrielle.

posantes harmoniques et l'amplitude du fondamental. La borne supérieure
est fixée par la norme EN50160 au 40e rang, c'est-à- dire à 3 kHz pour la
C'est le rapport, exprimé en pourcent, entre la valeur efficace des com-

FIG. 2.4 Représentation d'une onde déformée

tingue les effets instantanés et les effets à terme.

fréquence industrielle. Les variateurs de vitesses pour machines asynchrones, les fours à arcs sont les principaux générateurs d'interharmoniques. On disInterharmoniques

Les interharmoniques sont des signaux de fréquences non multiples de la

2THD

joncteur). D'autres troubles fonctionnels sont liés à la déformation de l'onde pédance du réseau et les condensateurs de compensation. Le plus spectacude tension tels que : couples pulsatoires sur les moteurs d'entraînement, vilaire de ce type d'effet est la destruction d'équipement (condensateurs, dis-

Les effets instantanés font suite à un phénomène de résonance entre l'imde la détection du passage au zéro de tension pour les dispositifs de régulation. brations, erreurs des systèmes de mesure (selon leur bande passante), perte des lignes et amènent un déclassement des équipements.

La norme EN50160 fixe les niveaux de tensions harmoniques jusqu'au 25`eme rang et indique que le taux global de distorsion harmonique ne doit pas dépasser 8%.

Les effets à termes se traduisent par une fatigue prématurée du matériel,

Des solutions de dépollution harmoniques existent:

le filtrage passif qui consiste à installer un circuit L, C série accordé sur

limitant les perturbations harmoniques.

Les nouveaux équipements de petite puissance sont soumis à des normes ~le filtrage hybride combine les solutions passive et active,

la fréquence de la composante à éliminer,

le filtrage actif génère des composantes harmoniques aux mêmes fréquences et en opposition de phase aux perturbations mesurées, l'utilisation d'appareils à absorption sinusoïdale3

3Appareils dits !!propres!!

2.2 Pourquoi réguler la tension électrique Introduction

tie, ils sont sensibles aux perturbations de la tension tout en étant eux-mêmes générateurs de perturbations.

souplesse d'utilisation dans les secteurs industriels et tertiaires. En contrepar-

Les matériels électriques et électroniques accroissent la productivité et la connuessontlescoupuresbrèves,lescreuxdetensionetlesdéséquilibres.Le nombreux spécialistes y consacrent des efforts importants.

tion souvent urgente, car ces surtensions peuvent mettre en péril l'efficacité et domaine étendu des surtensions reste parmi les moins connus, bien que de Lorsque les industriels ou les exploitants de réseaux d'énergie électrique sont Ces perturbations peuvent prendre une grande variété d'aspects. Les plus ciles à aborder de manière simple et leur résolution nécessite des compétences confrontés à des problèmes de surtensions, ils doivent faire face à une situa- substituer aux spécialistes, de préciser de manière synthétique l'essentiel des affirmées dans plusieurs spécialités. Il est donc apparu utile, sans vouloir se l'intégrité de leur outil de travail. Dans tous les cas, ces problèmes sont difficonnaissances en la matière.

transporter sont de ses plus importantes caractéristique. En effet, la tension zéro à pleine charge ne doit dépasser 5% de la tension nominale, bien qu'on d'une ligne doit demeurer assez constante à mesure que la puissance active 2.2.1 Variation de tension et puissance maximale transconsommée par la charge varie. Ordinairement, la variation de la tension de

La régulation de la tension et la puissance maximale qu'une ligne peut

portable

transportable par la ligneà, nous étudierons successivement le comportement puisse tolérer parfois une régulation allant jusqu'à 10%.

porter afin de connaître ses possibilités lors de surcharges temporaires. Afin de connaître la variation de la tension et d'établir la puissance maximale de quatre types de lignes:

On s'intéresse également à la puissance maximale qu'une ligne peut trans-

4. ligne inductive reliant deux grands réseaux.

3. ligne inductive avec compensation,

2. ligne inductive,

1. Ligne résistive,

active transportée par la ligne. Au fur et à mesure que la charge augmente, une puissance variable Pc(Fig. 1-a) la tension Es de la source est constante. 2.2.2 Ligne résistive

permettent d'obtenir la courbe Er en fonction de P c(Fig. 1-b). Cette courbe révèle l'information suivante:

la tension Er à ses bornes diminue progressivement; des calculs très simples
On suppose une charge résistive, car on s'intéresse seulement à la puissance
Une ligne possédant une résistance R alimente une charge résistive ayant

FIG. 2.5 Caractéristiques d'une charge résistive alimentée par une ligne résistive transporter. On atteint ce maximum lorsque la résistance de la charge est égale à celle de la ligne. Il s'en suit que Er 0,

que:

Il existe une limite supérieure Pmax à la puissance active que la ligne peut

= 5 * Es. On peut alors prouver Es 2

(1) Pmax = 4R

Si on permet une régulation maximale de 5% ( Er = 0, 95 ). La ligne

pertes RI2 dans la ligne.

grande que Pc, mais correspondante serait alors trop basse.

puissance maximale. La ligne pourrait transporter une puissance plus La source doit fournir la puissance Pc absorbée par la charge plus les peut transporter une puissancePc qui représente seulement 19% de la

la puissance d'une source dont la tension est 10kV. Calculer:

a)

la puissance maximale que de la ligne peut transporter à la charge, Exemple 1 : Une ligne monophasée ayant une résistance de 10Ùtransmet

b) la puissance transmise à la charge lorsque la tension à ses bornes est de

a)

la puissance maximale de la charge est:

Solution:

9,5Kv

Es 2

P = 4*R

= 100002/410 = 2, 5MW

b) lorsque Er 9,5Kv, la chute dans la ligne:

Es - Er = 10 - 9,5 = 0,5Kv = 500V

Le courant dans la ligne est donc:

500 =50A

10

Es - Er

I = R

La puissance à la charge est alors:

P = Er * I = 9,5 * 50 = 475Kw = 0,475MW

prédite par la courbe.

Remarquer que cette puissance représente 19% de la puissance maximale la charge résistive, on obtient la courbe Er en fonction du Pcde la Fig. 2b qui possède une réactance inductive XL (Fig. 2a). Comme dans le cas d'une ligne résistive, la tension Er diminue au fur et à mesure que la charge augmente, mais la courbe de régulation a une allure différente. Si l'on fait varier 2.2.3 Ligne inductive

Considérons maintenant une ligne dont la résistance est négligeable, mais

On remarque les points suivants:

1.) Il existe encore une limite supérieure à la puissance que la ligne peut la charge est égale à la réactance de la ligne ( Rch XL ).

transporter à la charge. On atteint ce maximum lorsque la résistance de Dans ces circonstance, on à:

Er = 0, 707Es

On peut alors prouver que:

Es2

(2) Pmax =2*XL

deux fois plus de puissance active qu'une ligne résistive ( comparer
Pour une même impédance, une ligne réactive peut donc transporter

P max = E82

2*XL etP max = E82

4R).

2.) Si on permet une régulation de 5%à, la ligne peut transporter une puis-

résistive.

charge, une ligne inductive donne une meilleure régulation qu'une ligne
sance P valant 60% de la puissance maximale Pmax.Pour une même

FIG. 2.6 Caractéristiques d'une charge résistive alimentée par une ligne inductive

b)

3.)résistive à une source de 10Kv. Calculer: Exemple: Une ligne monophasée ayant une réactance inductive de 10Ùrelie une charge la source Es doit fournir non seulement la puissance active P consommée par la charge, mais aussi la puissance réactive XLI2 absorbée par la ligne. la puissance à la charge lorsque la puissance a ses bornes est de 9,5Kv.

a) la puissance maximale que l'on peut transmettre à la charge;

b) En référant à la figure 2a , on peut écrire:

a) La puissance maximale de la charge est:

Solution:

P = Es2

2*XL = 100002/(2 * 10) = 5MW

Es2 = (I*XL)2+Er

100002 = (1 * 10)2 + 95002

Donc I 312A

Xc appropriée au borne de la charge (figure 3a ci dessous). Si on fait varier Xc augmenter la puissance maximale transportable en ajoutant une capacitance 2.2.4 Ligne inductive avec compensation

Lorsque une ligne est inductive, on peut à la fois améliorer la régulation et

de Xc afin que la puissance réactive E8

Er constante (et égale à E8) aux bornes de la charge il suffit d'ajuster la valeur
à mesure que la puissance active Pcaugmente, on peut maintenir une tension

*

soit égale à la moitié de la puissance réactive XL

que la ligne peut transporter à la charge. Une analyse détaillée montre (figure 3b) que l'on peut garder une tension constante (trait horizontal 1et2) jusqu'à incliné (2-0).

une limite où P = E8

Cependant, on constate qu'il y a encore une limite à la puissance active

2/Xc fournie par les condensateurs

I absorbée par la ligne.

a) La régulation est parfaite (Er =

On remarque les points suivants:

2/XL, après quoi la tension décroît en suivant le trait

jusqu'à la limite où: E8) et la tension demeure constante

E8 2

(3) Pmax = XL

b)

En comparant cette courbe avec celle de la ligne inductive sans compencapacité maximale Pmax de la ligne.

sation, on constate que la ligne compensée peut transporter le double de
On peut donc transporter à la charge une puissance Pc qui est égale à la

c)

La capacitance Xc fournit la moitié de la puissance réactive absorbée par la puissance, tout en maintenant la tension constante. Les condensateurs ligne (figure 3a).

ajouter une deuxième capacitance Xc,de même valeur, au début de la la ligne, l'autre moitié provenant de la source E8. Au besoin, on peut sont donc très utiles sur une ligne inductive.

Dans ces circonstances,la source débite seulement une puissance active Pc; la puissance réactive absorbée par la ligne est fournie par les condensateurs aux deux extrémités.

La puissance à la charge est:

Pc = Er * I = 9,5kV * 312A = 2964Kw = 3MW

Elle représente bien 60 % de la puissance maximale prédite par la courbe. turbations causées par les court-circuits et les autres pannes. De plus, les liorent la stabilité du réseau et lui permettent de mieux supporter les pernectés par une ou plusieurs lignes de transport. Ces interconnexions amé2.2.5 Ligne inductive reliant deux réseaux

interconnexions permettent des échanges de puissance entre les compagnies Les gros centres d'utilisation d'énergie électrique sont toujours intercon-

d'électricité de pays voisins par exemple comme entre le Sénégal et le Mali.

compensée

FIG. 2.7 Caractéristiques d'une charge résistive alimenté par une ligne inductive
Elles sont déterminées par les besoins des régions desservies qui agissent

Pour ces lignes, les tensions aux deux extrémités demeurent constantes.

trois possibilités:

E8 et Er aux deux extrémités sont constantes, et possèdent chacune la même valeur E. En ce qui concerne l'échange de puissance active, on peut distinguer équivalent d'une ligne inductive reliant deux régions S et R dont les tensions chacune comme des réseaux infinis indépendants. La figure 4 donne le circuit La valeur de Xc est constante et égale à XL dans la partie inclinée de la courbe.

En b E8 en retard sur Er.

En a E8 en avance sur Er;

Cas 1 La tension E8 et Er sont en phase. Dans ce cas, le courant dans la Cas 2 La tension E8 est déphasée d'un angle? en avance sur Er (fig : 4- ligne est nul et aucune puissance n'est transportée.

est donnée par l'équation:

d'après les relations vectorielle, que la puissance active transportées
a). La région S fournit alors de l'énergie à la région R et on trouve,

E8 2

(4) P = XL * sin(è)

P puissance active transportée par phase (W);

FIG. 2.8 Ligne inductive reliant deux grands réseaux.

ment utile lorsqu'on traite les grandes puissance triphasées:

De cette équation on déduit l'équation suivante qui est particulière- E tension de ligne neutreà(V);

XL réactance inductive par phase (e);

ligne (?).

è angle de déphasage entre les tensions aux extrémités de la

(5) Pt = ELL2

XL * sin(è)

Où:

XL réactance inductive par phase (e);

ELL tension ligne à ligne, en kilovolts (kV);

Pt puissance active totale transportée par une ligne triphasée,

en mégawatts (W);

è angle de déphasage entre les tensions aux extrémités de la

ligne (?).

de l'angle de déphasage. On constate que la puissance transportée La figure 2.9 montre la courbe de la puissance active en fonction une ligne reliant deux réseaux impose aussi une limite à la puissance augmente progressivement pour atteindre une valeur maximale ELL2

XL

lorsque le déphasage? entre les deux réseaux est de 90?.

En effet, tout comme pour les autres lignes que nous venons d'étudier,

FIG. 2.9 Caractéristiques d'une ligne reliant deux grands réseaux.

stable. Lorsque l'angle est voisin de 90? ou plus, les deux régions maximale que l'on peut transporter. Cette limite est la même que celle

évite cette condition, car elle correspond à un point d'opération in- d'une ligne inductive compensée. Bien que l'on puisse théoriquement

ouvrir le circuit.

transporter une puissance lorsque l'angle est supérieur à 90?, on dérable, même si la tension E8 et Er aux deux extrémités sont égales. sont sur le point de décrocher et les disjoncteurs de ligne s'apprête à grand.

En se référant à la figure 2.2.5 (a), il est évident que la chute de ten-
Remarquer que la chute de tension Ex dans la ligne peut être consi-

Cas 3 La tension E8 est déphasée d'un angle en arrière de Er (figure 2.2.5 sion est d'autant plus grande que le déphasage entre E8 et Er est plus cette fois, elle circule de la région R vers la région S. La courbe de la

de la puissance ne dépend pas des valeurs relatives des tensions E8 et Er - puissance en fonction de l'angle de déphasage est indiqué à celle de (b)). La puissance active est encore donnée par l'équation (4), mais,

elles sont égales -, mais seulement du déphasage entre elle.

Si l'on compare la figure (a et b), on constate que le sens de la circulation s'appliquent.

la figure 2.9 et, en ce qui concerne la stabilité, les mêmes remarques

FIG. 2.10 Puissance d'une ligne inductive compensée

transporter. Cette puissance est proportionnelle au carré de la tension et quatre types de lignes que l'on vient d'étudier. Chaque ligne possède une La figure 2.11 permet de comparer les puissances est les tensions pour les inversement proportionnelle à l'impédance de la ligne.

2.2.6 Récapitulation de la puissance transportée

En résumé, il existe toujours une limite à la puissance qu'une ligne peut une régulation maximale de 5%, les puissances que l'on peut transporter sont impédance de 10Ùet la source fournit une tension Es de 10 kV. Si l'on tolère limités aux valeurs indiquées dans la figure.

vement à 10MW pour une ligne ne possédant aucune résistance.

ayant une réactance de 9,8Ù et une résistance de 2Ù. La courbe (5), tracée avons tracé, à titre d'intérêt, la courbe correspondant à une ligne compensée en pointillé, indique alors la puissance maximale tombe à 8MW, comparati-

De plus, comme les lignes possèdent toujours une certaine résistance, nous

tension donnée est proportionnelle au rapport E2

2.2.7 Choix de la tension de ligne

On a vu que la puissance P qu'une ligne peut transporter pour réguler une

L/Z ou EL est la tension de

active transportée par la charge.

FIG. 2.11 Comparaison des courbes de régulation en fonction de la puissance

ligne à ligne et Z son impédance. Puisque cette impédance est proportionnelle à la distance à franchir, on en déduit que la tension d'utilisation E est donnée par une expression de la forme :

(6)EL = k *.VP * L

Où :

EL = tension de ligne à ligne (V) ;

P = puissance à transporter sur les 3 phases (W) ;

L = distance de transport (m) ;

k = facteur approximatif qui dépend de la régulation permise et du type de ligne.

k = 0,1 pour une ligne sans compensation ;

k = 0,06 pour une ligne avec compensation

la formule (6) fournit seulement un ordre de grandeur de la tension E car la valeur finalement choisie dépend de facteurs économiques et d'autres considérations. En général,la tension adoptée est comprise entre 0,5 EL et1,5 EL.

Exemple :

On doit transporter une puissance de 10MW sur une distance de 20 km :

a) La ligne n'étant pas compensée, déterminer la tension de la ligne et choisir une grosseur de fil appropriée, sachant que l'on permet une régulation de 5%.

b) Calculer la régulation de la ligne lorsque le facteur de puissance de la charge est de 1.

c) Calculer les pertes dans la ligne. Solution :

a) D'après la formule (6) :

EL = 0.1 * .VP * L

EL = 0.1* .V10 *1000000 * 20 * 1000

EL = 44721V = 44.7KV

Toute tension comprise entre

| 0.5 * 44.7kV = 25KV | et | 1, 5 * 44.7 = 67KV | serait acceptable. Utilisons une tension normalisée de 34,5 kV ligne à ligne, soit 19,9 kV ligne à neutre. Le courant dans la ligne est alors :

P

I=

.V3* EL

10 * 1000000

1.73 * 34500

I = 167A

Choisissons un conducteur ACSR N 1(ampacité 200 A, r 0,9e/km).

Résistance de chaque ligne = 20 * 0, 9 = 18e

La chute R*I dans une ligne = 18 * 167 = 3006KV

% de chute = 3006/19900 = 0, 15 = 15%.

active) est trois fois plus grande que celle permise, on doit augmenter la grosseur du conducteur d'au moins trois fois. On utilisera une grosseur de Bien que du point de vue de l'échauffement, ce conducteur soit plusieurs Comme la chute résistive toute seule (sans tenir compte de la chute ré-

b)

Calculons maintenant la régulation pour une charge résistive en tenant fois plus gros que nécessaire, il donne à la fois l'avantage d'une meilleure 300kcmil.

régulation et d'un meilleur rendement.

compte de la réactance (0,5e/km) de cette ligne:

Tension aux bornes de la charge 19900V

FIG. 2.12 Régulation d'une charge résistive

Résistance de chaque ligne = 20 * 0.22 = 4.4e Chute RI dans une ligne = 4.4 * 167 = 735V

Réactance de chaque ligne = 20 * 0.5 = 10Ù

Chute XL dans une ligne = 10 * 167 = 1670V

que la tension E5 de la source est de 20700 V, d'où la régulation:

En traçant le diagramme vectoriel pour une phase (figure 2.12), on trouve

(20700 - 19900)

= 800/19900= 0,040 ou 4%

19900

c)

Les pertes joule dans la ligne triphasée sont:

On rencontre donc la régulation maximale de 5%.

P3 = R * I2 = 3 * 4.4 * 1672 = 368135W = 368KW

joule est:

Par rapport à la puissance active transportée, le pourcentage des pertes
(Pertesjoule)/P = (368KW/10MW) * 100 = 3, 7%

Chapitre 3

Les techniques de régulation

3.1 Le réglage de la tension

Compensation de la puissance réactive et niveau de la tension

totale est obtenue lorsque la puissance réactive des condensateurs est égale à sible, de cette façon, de remonter une tension trop faible. La compensation gie réactive en installant des batteries de condensateurs (figure 3.1).Il est posla puissance réactive absorbée par la charge. Dans la réalité, des considéra-

On peut compenser la chute de tension provoquée par le transit de l'éner-

tions technico-économiques conduisent à la compensation, basée sur l ?énergie non pas la puissance correspondant a tangente ? = 0, 4(cos(?) = 0, 928).

l ?expression:

nominale E du réseau amont est donnée dans le cas du réseau ci ?dessus par La relation entre la tension U2 aux bornes de la charge et la tension

U2 Z2

=

E Z1+Z2

transformateur et des câbles BT de liaison et Z2 représente l ?impédance de la charge en parallèle avec la batterie de condensateurs:

Dans cette expression, Z1 représente l'impédance du réseau amont, du

(ZmZc)

Z1 = Zcc+ Zr + Zca et Z2 =(Zm+Zc)

thèses suivantes:

Pour le réseau représenté par le schéma de la figure 3.1, prenons les hypo-

d'énergie réactive.

FIG. 3.1 Transformateur débitant sur un charge inductive avec compensation

~SnT : 400KVA puissance du transformateur HTA/BT et Ucc

et un rendement égal à 0.956,

Scc:40MVA au point commun de raccordement,

= 4%

Données relatives à la charge du moteur

Pm: 200Kw puissance mécanique d ?un moteur asynchrone, avec uncos(?) = 0.89 Qc:puissance en kvar des condensateurs.

D : 150m longueur des câbles BT de liaison,

PM

PuissanceactivePm =

ç

=

200

 

= 209Kw

0.958

PuissanceapparenteSm =cos(?)

= 209 = 235KVA 0.89

Pm

pP uissanceractiveQm = Sm 2 - Pm 2 = 107Kvar

Impédance du réseau amont

3.1.1 Cas théorique sans les résistances

Les impédances Z R H- jX deviennent de ce fait des réactances jX.

Un 2

Xcc = Scc

Impédance du transformateur

=

4002

=4me

40.1O6

4

Un 2

*

*

=

100

SnT

= 16me

Ucc

XT = 100

4002

400. 103

Impédance des 2 câbles de liaison en parallèle, la section de chacun étant

de 240 mm2 (on considère l'inductance égale à 1 micro H/m)

Xca =Lca*ù=0,5*150*1.10-6*100t=23,6me

Impédance du moteur

Impédance Z1 : (réseau amont H- transformateur H- câbles)

X1 = 4.10-3 + 16.10-3 + 23, 6.10-3 = 43, 6me

U2

Xm = Qm

= 4002~107.103 = 1,5e

FIG. 3.2 Analyseur de puissance et d'énergie électrique

Impédance de la batterie des condensateurs : Pour une batterie Qc=100Kva

Qm

Un 2

xc = Qc

= 4002 ÷ 110.103 = 1.45Ç

Impédance Z2 : sans le moteur xm tend vers l'infini.

x2=xc =-j1

= -j * 1,45

excluses)

La valeur de la tension "U2 sans moteur" est de : (résistances du réseaux

x2

U2=E*x1 +x2

= 400 *

-j * 1,45

= 412V

-j * 1, 45+j43, 6.10-3

pareils sont alimentés sous la tension de 412V au lieu de 400V.

En l'absence de charge du moteur, la batterie de condensateurs enmentation de la tension d'utilisation. Dans ce cas les autres petits apgendre une surcompensation de puissance réactive qui provoque l'aug-

3.1.2 Cas réels influence des résistances

Résistance interne du transformateur (rT prise égale à 1% en valeur moteur constituant la charge sont les suivantes (la résistance du réseau amont est volontairement négligée).

Les valeurs des résistances internes du transformateur, des cables et du

réduite)

1 * 4002

=

Un 2

*

=4Ç

Sn

102 * 400.103

rT

RT = 100

=9mÇ

Résistance des cables : deux cables de 240mm2 en parallèle dont la résistance linéique est de 0,12Ç/Km

0, 15 * 0, 12

Rca = 2

Résistance interne du moteur

Un 2

Rm = Pm

=

4002

= 766mÇ

209. 103

Impédance Z1 et Z2 - elles comprennent les résistances ci-dessus, elles ont alors une partie réelle et une partie imaginaire et s'écrivent:

Z1=RT+Rca +j(Xcc +XT+Xca)

1

=

Z2

1+ jXc

1 +

1
jXm

Rm

U2 Z2

Comme précédemment : E =Z1+Z2

la figure 3.3.

Tous calculs effectués, la variation de U2 en fonction de Q est donnée par

FIG. 3.3 Variations de U2 en fonction de Q (résistances du réseau incluses) compensations, est inférieure à 385V. Il est possible de ramener la tension à 400V avec le moteur à pleine charge uniquement grâce à des condensateurs, que dans le calcul précédent. La tension du jeu de barres basses tension, sans mais la puissance installée devrait être portée à plus de 200Kvar alors qu'elle

En tenant compte des résistances, la chute de la tension est plus forte en service, la tension BT est portée à près de 420V, avec une compensation n'était que de 110Kvar dans le cas où on négligeait les résistances.

En cas d'arrêt du moteur et de maintien de la batterie de condensateurs

de 170Kvar. Si la batterie est de 300Kvar, la tension, dans les mes conditions, monterait à près de 435V.

tension n'est pas linéaire.

près de 1400V, mais qui se produira pour une puissance de condensateur
surcompenser la puissance réactive. On note la présence d'une résonance à
proche de 3Mvar. Cette courbe a le mérite de montrer que l'évolution de la

La figure 3.4 montre comment évoluerait la tension si l'on continuait à

3.3.

FIG. 3.4 Variations de 1J2 en fonction de Q (résistances du réseau incluses)

avec 3000Kvar de compensation en parallèle avec un moteur de 400KVA. Elle n'est, bien sûr, pas réaliste dans la mesure où on ne se trouvera jamais

3.1.3 Comment éviter les surtensions dues au conden-

sateurs

Dans le cas d'une compensation au niveau du moteur on peut: différentes solutions:

Pour adapter la puissance réactive à la valeur nécessaire, on peut envisager coupler la commande du contacteur des condensateurs à celui du moteur;

Dans le cas d'une compensation par atelier on peut envisager: commander le moteur et la batterie de condensateur avec le même

une coupure manuelle en fin de journée;

une mise hors service par horloge;

contacteur si la puissance du moteur est suffisamment faible;

Dans le cas d'une compensation centralisée , il est important de divi-

ser la puissance réactive en gradins et d'adapter le nombre de radins en

une mise hors service par relais ampèremétrique temporisé;

services à la puissance appelée par l'usine; cette adaptation se fait par éventuellement, en fonction du courant appelé par l'atelier: une misse

relais varmétrique qui adapte la quantité de condensateurs en service hors service par relais wattmétrique;

à la puissance réactive consommée par les charges de l'usine.

FIG. 3.5 Variateur et régleur de tension en armoire

3.2 Autres moyens de réglage de la tension BT

limites acceptables.

un transformateur ou un autotransformateur classique pour adapter la ten-
sion. Si la tension est fluctuante, il faut utiliser des dispositifs permettant de
la maintenir constante, ou tout au moins de maintenir la variation dans des

Si la chute de tension, ou la surtension, est permanente, il suffit d'utiliser tème à thyristors. L'ensemble a un temps de réponse très court et une bonne précision de réglage.

3.2.1 Régulateur statique

tension de 25%, et de réaliser ainsi des économies d'énergie.

des réseaux d'éclairage. Il permettent de mettre les lampes progressivement

Un régulateur statique est constitué d'un autotransformateur et d'un sysraccordé aux appareils, il est impératif que le calibre à la fois du disjoncteur sous tension et de supprimer les surtensions à 50Hz. Il permettent aussi de réduire légèrement l'éclairage au cours des heures de nuit en baissant la et du conducteur du neutre soit le même que celui des phases.

Il existe aussi des appareils spécifiques (par exemple chez Technirel) pour

Lorsque le régime neutre TT ou TN du réseau d'éclairage est à neutre

3.2.2 Autotransformateur variable

port est progressivement variable.

tant. Ces matériels peuvent être employés conjointement avec des condensa- La gamme de réglages possibles va jusqu'à #177;25% dans les gammes standard. teurs destinés à compenser la puissance réactive.

de charge de 0 à 100%. Son taux de distorsion harmonique est nul.

Il peut couvrir des gammes de puissance jusqu'au MVA avec une variation

Ce dispositif de réglage est un autotransformateur à colonne dont le rap-

Les matériels de forte puissances sont d'un encombrement assez impor-

HTA/BT

FIG. 3.6 Réglage de la tension BT par les prises à vides du transformateur

Deuxième partie

Applications dans l'industrie

Chapitre 4

Machines à courant continu

4.1 Généralités

Une partie fixe, le stator, qui crée le champ magnétique; c'est l'inducteur. Un partie mobile, le rotor, qui est l'induit de la machine. Le rotor de la alimentée par un courant continu.

La machine à courant continu est constitué de deux parties.

machine est constitué de conducteur et lorsque le rotor tourne, il se crée aux bornes de l'ensemble des conducteurs une tenson induite E.

Cet inducteur peut-être constitué d' aimants permanents ou d'une bobine Pour faire fonctionner une machine à courant continu, on peut brancher l'in- fonctionner soit en génératrice, soit en moteur.

est alimenté de façon séparée par rapport à l'induit, on parle de machine à ducteur en série avec l'induit : on parle alors de machine série. Si l'inducteur excitation indépendante.

La machine à courant continu est une machine réversible. Elle peut

4.2 Modèle électrique d'une machine à courant continu

montre que l'expression de la f.e.m. E est:

4.3 La force électromotrice (f.e.m.) E

posé de N conducteurs et tourne à la vitesse angulaire en [rad/s? . On

L'inducteur crée le flux magnétique ö en Weber [Wb?. Le rotor est com-

FIG. 4.1 Modèle électrique d'une machine à courant continu

N * Ö * Ù

E=

N

Si on pose K = (constante sans dimension) alors Ùen[rad/s?,

E : f.e.m induite en [V?.

Öen [Wb?,

 
 

E=KÖÙ

avec:

 
 

rotation n soit:

E=k*n.

Si le flux est constant, la f.e.m. induite E est proportionnelle à la vitesse de

4.4 Couple électromagnétique

= E

tique est PE *

Le rotor tournant à la vitesse, il existe un couple électromagnétique TEM tel que :PE = Ù.

TEM *

On montre alors que l'expression du couple électromagnétique est: Lorsqu'il circule une intensité I dans l'induit, la puissance électromagnéI.

TEM = K.Ö.I

qui circule dans l'induit.

c'est-à-dire que le couple électromagnétique est proportionnel à l'intensité

4.5 Fonctionnement en moteur de la machine à courant continu

4.5.1 Le moteur à excitation indépendante

est alimenté par une tension continue U et est traversé par une intensité I. courant continu i (si l'inducteur n'est pas à aimants permanents). L'induit Modèle électrique

L'inducteur est alimenté par une tension continu u et est traversé par le

FIG. 4.2 Modèle électrique du moteur à excitation indépendante

citation i.

U=E+R.I

Pour ce moteur, le flux Ö est Ii directement proportionnel au courant d'exEquation de fonctionnement pour l'induit:

Bilan énergétique et rendement

Le moteur absorbe la puissance électrique

= u.i + U.I .(Si le moteur

PA

est à aimant permanent, u.i = 0).

Au niveau de l'excitation (l'inducteur), il se crée des perte par effet Joule

PJE = u.i = r.i2

Pour l'induit, les pertes par effet Joule sont

PJI = R.I2

La puissance électromagnétique

PEM = PA - PJE - PJI = E.I

Lors d'un essai à vide, PV = R.IV +

que les pertes mécaniques PM soit: PC, on peut déterminer les pertes

= PF + PM.

collectives PCqui représentent les pertes magnétiques ou pertes fer PF ainsi

On définit le couple de pertes par

PC

TP = TEM - TU = Ù

La puissance utile disponible sur l'arbre du moteur est

PU=PA-PJE-PJI-PC.

Le rendement du moteur à courant continu est:

PU

PU

PU + u.i + R.I2 + PC

ç= PA

4.5.2 Le moteur à excitation série

gnétique est proportionnel au courant I au carré : TEM

Modèle électrique

donc traversé par la même intensité I. On montre que le couple électromaL'inducteur est placé en série avec l'induit. L'inducteur et l'induit sont

= K.I2.

Équation de fonctionnement : U = E + (r + R).I

Bilan des puissance et rendement

Le moteur absorbe la puissance électrique

U.I. Au niveau de l'ex-

PA =

citation (l'inducteur), il se crée des perte par effet Joule

PJE = r.I2

Pour

l'induit, les pertes par effet Joule sont

PJI = R.I2

La puissance électroma-

gnétique

PEM=PA - PJE-PJI=E.I

FIG. 4.3 Modèle électrique du moteur à excitation série

représentent les pertes magnétiques ou pertes fer PF ainsi que les pertes méLors d'un essai à vide, on peut déterminer les pertes collectives PC qui caniques PM soit : PC = PF + PM.

On définit le couple de pertes par

TP = TEM - TU

La puissance utile disponible sur l'arbre du moteur est

PU=PA-PJE-PJI-PC.

PU PA ç= PA U.I.

Le rendement du moteur à courant continu est

4.5.3 Quelques considérations pour le moteur à courant continu

Utilisation des moteurs à courant continu

varier la vitesse de rotation par modification de la tension d'alimentation U en utilisant des ponts redresseurs commandés ou des hacheurs.

Le principal avantage de ces moteurs, c'est qu'il est très facile de faire

Démarrage des moteurs à courant continu

=

E = 0.

Pour un moteur à excitation séparée,

U

U = R.ID= ID = R.Le courant de

Nous avons vu que la f.e.m. E k.n. Or, au démarrage, n = 0 d'où

démarrage et très R important.

jusqu'à sa valeur nominale I.

progressivement soit par augmentation progressive de la tension d'induit. courant soit par adjonction d'une résistance de démarrage qu'on diminue

U - E

Dès que le moteur commence à tourner, ID

Ce courant est source de détérioration du moteur, on essaie de limiter ce

=

Si le moteur doit démarrer en charge avec une charge qui présente un

R et décroît rapidement

couple résistant TR, l'intensité de démarrage doit être

TR

ID>K.Ö.

voir l'emballement du moteur. Pour un moteur à excitation série, le moteur dante, on doit commencer par mettre l'induit sous tension et ensuite seule- Remarque importante : Pour démarrer un moteur à excitation indépencouper la tension de l'inducteur avant celle de la tension d'induit au risque de doit démarrer en charge.

ment mettre l'inducteur sous tension. Si le moteur est à vide, il ne faut jamais

Caractéristiques des moteurs à courant continu

= E.I =

constante U et pour un couple de perte TPconstant.

Pour un moteur à excitation indépendante, PEM TEM.Ù, E =

k.Ö.Ùet TU = TEM -TP. Pour un flux constantÖ, pour une tension d'induit

FIG. 4.4 Caractéristiques d'un moteur à courant continu

4.6 Fonctionnement de la machine à courant continu en génératrice

Modèle et équation de fonctionnement

Génératrice à excitation indépendante

FIG. 4.5 Modèle de la MCC en génératrice

Équation de fonctionnement : U = E - R.I

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