Contribution à l‛étude des perturbations électromagnétiques

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Contribution à l‛étude des
perturbations électromagnétiques
conduites :
Usine d ‘électrolyse
Aluminium Pechiney de Lannemezan
SOLAZ Philippe
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Sommaire
1 . PRESENTATION GENERALE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1. 1. Situation géographique : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1. 2. Bref historique : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. LE PROCEDE DE FABRICATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3. LES INSTALLATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. 1. La sous- station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.1.
3.1.2.
3.1.3.
3.1.4.
Fonction........................................................................................................................................................................ 7
Gestion d‛énergie et pollution harmonique des lignes 63 kV........................................................... 8
Propagation des harmoniques. Perturbations produites [8].............................................................. 8
Le cas des redresseurs [13]............................................................................................................................. 9
3. 2 Fonctionnement de la sous- station. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1
4. PRESENTATION DES GROUPES REDRESSEURS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1
4. 1. Présentation générale des groupes : annexe 2 folio 19NSE5. . . . . . . . . . . . . . 1 1
4. 2. Association des groupes redresseurs (folio 19NSE5) :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3
4.2.1. Présentation des groupes transformateurs-redresseurs................................................................. 13
4.2.2. Technique de personnalisation des groupes [1] .................................................................................... 14
5. PRESENTATION D'UN GROUPE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6
5. 1. Introduction (Annexe folio 2NSE2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6
5. 2. Indice horaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7
5. 3. Protections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7
5. 4. Etude théorique [4] [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8
5.4.1. Transformateur : voir annexe 4 folio 2NSE3 ...................................................................................... 18
5.4.2. Courant primaire du transformateur .......................................................................................................... 18
6. ANNEXES et FOLIOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Annexe 1 : synoptique « schéma de fabrication de l‛aluminium » . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Annexe 2 : folio 2NSE5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Annexe 3 : folio 2NSE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Annexe 4 : folio 2NSE3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Annexe 5 : folio 10SXE04. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7. ANALYSE FONCTIONNELLE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
8. BIBLIOGRAPHIE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
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1. PRESENTATION GENERALE
Usine de LANNEMEZAN :
1.1. Situation géographique :
L‛usine Aluminium Pechiney est située sur le plateau de Lannemezan au pied des Pyrénées sur l‛axe
Toulouse Bayonne.
1.2. Bref historique :
En 1936, la production d'aluminium était fortement concentrée dans les Alpes. A l‛époque, le climat
international laissait présager un conflit imminent. L'Etat décida alors de protéger cette industrie en
l'éloignant le plus possible des frontières allemandes.
Le site
-
de Lannemezan sera donc choisi pour plusieurs raisons :
Géopolitique
Existence d'une usine chimique depuis 1914
Importantes ressources en terrain inexploité es
Ressources énergétiques hydrauliques proches
La production est portée jusqu‛à 11000 Tonnes/an en 1960 pour arriver à 45000 Tonnes/an en 1980.
Aujourd‛hui, l‛usine de Lannemezan produit :
40000 Tonnes/an de plaques destinées, après laminage, au bâtiment, à l‛emballage et à des
articles de grande consommation.
des barres conductrices utilisées dans d‛autres usines, notamment d‛électrolyse.
5000 Tonnes/an de lingots T destinés à la refonte.
Pour une production de 40000 tonnes, l'usine de Lannemezan reçoit :
90 000 t d'alumine de Gardanne et La Barasse
12 000 t de produits fluorés de Salindres
16 000 t de coke des Etats-Unis
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5 000 t de brai de l'usine CDT chimie de Port Le Bouc.
2. LE PROCEDE DE FABRICATION
La production d‛aluminium se fait en deux étapes :
1.
du minerai (bauxite), on extrait l'oxyde d'aluminium (alumine) à l'aide d'un procédé nommé
Bayer : le principe est basé sur la dissolution de l'alumine par la soude caustique pour la
transformer en aluminate de soude soluble. Cette opération est notamment réalisée dans deux
usines situées prés de Marseille. Elles expédient à Lannemezan, par trains complets, 100 000
tonnes d'alumine par an.
2. ensuite, on réduit cet oxyde en métal par l'action d'un courant continu de forte intensité (100
000 A). Cette opération est réalisée à Lannemezan. C'est le métallurgiste français Paul
Héroult qui en 1886 eut l'idée d'appliquer l'électrolyse à la fabrication de l'aluminium. L'astuce
d'Héroult, fut de travailler avec un mélange composé d'alumine (matériau isolant) et de
cryolithe (minerai naturel : fluorure double d'aluminium et de sodium). Ce mélange avait en
effet des caractéristiques électriques et thermiques permettant une mise en oeuvre réaliste,
c'est-à-dire une faible résistance électrique et des caractéristiques thermiques particulières
avec une température de fusion du mélange à 935 °C (température beaucoup plus basse que
celle de fusion de l'alumine à 2040 °C).
Cette opération a donc lieu à 960 °C dans une cellule d'électrolyse appelée cuve ou l'alumine est
dissoute dans un bain de cryolithe. Ce procédé donne lieu à un dégagement d'oxygène qui vient brûler
les anodes qu'il faut donc renouveler régulièrement. Un service spécialisé de l'usine fabrique le sousensemble anodique.
L'aluminium liquide se dépose au fond de la cuve (cathode) d'où on l'extrait par aspiration dans une
poche de coulée étanche en acier garnie de briques réfractaires dans laquelle on réalise le vide partiel.
Ce métal est ensuite stocké dans des fours en fonderie. Il est ensuite solidifié sous forme de
plaques ou de lingots dans l'atelier de Fonderie.
On peut voir certains outillages utilisés pour la fabrication sur les photos qui suivent.
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CUVE
:
SERIE DE 180 CUVES ALIMENTEES SOUS 800 V 100000 A :
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POCHE DE COULEE :
REMPLISSAGE D'UN FOUR EN FONDERIE :
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3. LES INSTALLATIONS
L'usine comprend :
une sous-station qui transforme le courant alternatif HT livré en 63 kV, en courant continu BT
sous 800V
une série de 180 cuves à anodes précuites de 100 000 A sous 800 V (4 à 5 V par cuve)
un atelier "électrodes" comprenant un four de cuisson pour obtenir des anodes précuites
des ateliers annexes à l'électrolyse : scellement des anodes, réfection des cuves
une fonderie équipée de fours et de métiers à couler des plaques et des lingots de formats
divers pour les usines de transformations
un laboratoire de contrôle
des services techniques et un bureau d'étude pour la maintenance, l'amélioration et la
conception du matériel et des installations
des services administratifs, comptables et généraux
un service de sécurité chargé d'animer et de coordonner les différentes actions de
préventions.
Un synoptique « schéma de fabrication de l‛aluminium » est visible en annexe 1.
Une analyse fonctionnelle synthétique d‛un point de vue électrotechnique est visible au chapitre 7.
3.1. La sous-station
3.1.1. Fonction
Pourquoi ?
Il s'agit d'alimenter une usine d'électrolyse :
850 V et 105 000 A continu pour la série de cuves
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12 750 V triphasé pour les auxiliaires
Avec quoi ?
-
2 lignes EDF de 63 000 V triphasé arrivent à l'usine
des transformateurs auxiliaires alimenteront l'usine en 12750 V (appelés postes SX)
des groupes transformateur/autotransformateur avec régleurs en charge et redresseurs
seront utilisés pour l'alimentation de la série.
Comment ?
-
-
Dans la règle générale, on s'impose d'utiliser une ligne pour l'électrolyse et l'autre pour l'usine
afin de pouvoir isoler par le disjoncteur de ligne l'une ou l'autre des installations. En cas de
défaillance d‛une ligne, il est possible d‛alimenter l‛ensemble de l‛usine à partir d‛une seule ligne.
Il faut gérer la consommation sur la base d‛un contrat énergie en accord avec EDF et le
dispatching Sud-ouest.
3.1.2. Gestion d‛énergie et pollution harmonique des lignes 63 kV.
-
-
-
L'usine consommant 2100 MW par jour, elle entretient une liaison permanente avec le
dispatching du sud-ouest (RTE) pour toute manœuvre sur le réseau 63 kV et avec la cellule
effacement (EDF) à PARIS. Elle peut en effet s‛effacer une heure, vingt quatre fois par an au
maximum compte tenu du contrat nucléaire souscrit. L‛inertie thermique de la série ne permet
pas un redémarrage au delà de 6 heures. Ces particularités techniques énergétiques sont
discutées et renégociées régulièrement. La libéralisation du marché a aussi rendu l‛usine de
Lannemezan éligible (possibilité d‛acheter l‛énergie à n‛importe quel producteur).
Le réseau triphasé est perturbé par les récepteurs qu'il alimente parce que ces derniers
génèrent des harmoniques [10]. Ce type de perturbations déforme ou déséquilibre les tensions
du réseau dont l'impédance n'est pas nulle. Dans le cas présent, les convertisseurs statiques
utilisés pour effectuer la conversion alternatif/continu sont formés par des ponts redresseurs
complets, dispositifs fortement pollueurs.
D‛une manière générale, les dispositifs polluants sont utilisés de manière croissante. La
normalisation en vigueur concernant les limites d‛émission en courant évolue de manière
constante et importante. Elle est fixée notamment par les textes CEI 61000-3-2, CEI 610003-4, CEI 61000-2-2. EDF propose un contrat EMERAUDE qui engage ses abonnés à limiter leur
niveau de pollution et engage EDF à fournir une énergie de qualité [15]. Une analyse qualitative
globale est effectuée par RTE sur le poste 63 kV de Lannemezan. Elle ne permet pas
actuellement de quantifier les perturbations de l‛usine seule compte tenu que le qualimètre
effectue ses mesures sur l‛ensemble des abonnés 63 kV. On peut seulement dire qu‛une
pollution importante est constatée sur l‛harmonique 5.
Nous allons voir quels sont les dispositifs employés chez ALUMINIUM PECHINEY sur l‛usine de
Lannemezan pour minimiser la pollution générée compte tenu des puissances en jeu.
3.1.3. Propagation des harmoniques. Perturbations produites [8]
« Vu du réseau qui l'alimente, un convertisseur constitue un récepteur non linéaire : même s'il
est alimenté par des tensions sinusoïdales, il absorbe des courants non sinusoïdaux. On peut le
considérer comme un générateur de courants harmoniques. »
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3.1.3.1. Propagation des harmoniques [8]
« Chaque courant harmonique se propage dans le réseau ; arrivant à un nœud il se partage entre
les branches dans le rapport inverse de leurs impédances.
En tout point, le produit du courant harmonique par l'impédance du réseau à la fréquence
correspondante donne la tension harmonique.
Le courant harmonique va donc plutôt vers les impédances faibles. A courant harmonique donné, la
tension harmonique en un point est d'autant plus faible que l'impédance est elle-même plus faible.
Les calculs de propagation montrent qu'en règle générale plus on s'éloigne du générateur
d'harmoniques, plus la tension harmonique diminue car :
le courant diminue à cause des dérivations successives
surtout, en remontant du perturbateur vers le cœur du réseau, on rencontre des impédances de
plus en plus faibles.
Normalement, les plus perturbés sont le perturbateur lui-même et ses voisins immédiats.
Il faut noter l'importance des capacités dérivées. Alors que l'impédance série des lignes augmente
avec la fréquence, l'impédance des capacités en dérivation est inversement proportionnelle à celle-ci.
Les capacités constituent des chemins de moindre impédance réduisant la propagation des courants
harmoniques vers le reste du réseau.
Les capacités qui interviennent sont celles entre enroulements des phases et entre enroulements
et masse des machines et des transformateurs. Les capacités des câbles et des lignes à haute tension
jouent un rôle important. Mais c'est surtout les batteries de condensateurs destinées à améliorer le
facteur de puissance qui, si elles sont de forte capacité, jouent le rôle de courts-circuits pour les
harmoniques, surtout lorsqu'ils sont de rang élevé.
Il faut toutefois signaler le risque de résonance lié à la présence des condensateurs. »
3.1.3.2. Les perturbations produites [9] [13] [15]
« Les harmoniques créent des effets nocifs dans tous les composants des réseaux.
Dans les machines tournantes, ils créent des pertes supplémentaires au stator et au rotor, diminuent le
couple résultant et augmentent sa pulsation, augmentent le niveau sonore.
Ils augmentent les pertes dans les condensateurs, peuvent provoquer des échauffements
anormaux et accélérer le vieillissement.
Ils risquent d'exciter des résonances parallèles dans les réseaux où il y a des batteries de
condensateurs. »
Ils peuvent créer des interférences avec les réseaux de télécommunication (télévision,
téléphone, télécommandes).
Ils peuvent provoquer des erreurs de mesure et de comptage.
Ils peuvent provoquer des défauts de fonctionnement des systèmes de régulation des
convertisseurs en déplaçant les passages par zéro de l'onde de tension.
Ils augmentent l‛échauffement des machines, des câbles et des transformateurs à cause des
pertes supplémentaires qu‛ils produisent.
Ils peuvent provoquer des incendies par surcharge du neutre….. »
3.1.4. Le cas des redresseurs [13]
« Les redresseurs sont les convertisseurs les plus utilisés, soit qu'ils alimentent directement
des récepteurs de courant continu, soit qu'ils constituent le premier élément des chaînes de conversion
d'énergie à partir du réseau.
Les redresseurs génèrent des harmoniques et consomment de la puissance réactive. »
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3.1.4.1. Les harmoniques [6] [16]
« L'étude simplifiée des harmoniques suppose le redresseur alimenté par une source de tension
parfaite d'impédance nulle fournissant des tensions sinusoïdales, et débitant sur un récepteur de
courant parfait absorbant un courant redressé parfaitement lissé.
Alors les courants d'entrée sont formés de créneaux rectangulaires à temps de montée et de descente
nuls.
En triphasé, dans les courants pris au réseau, on trouve le fondamental et les harmoniques de rang n
égal à kp ± 1 , en désignant par p l'indice de pulsation de la tension redressée :
. I1, I5, I7, I11,I13,......, IN,....... pour p=6
. I1, I11, I13, I23, I25,.......,I N,.......pour p=12
La valeur des harmoniques existant est inversement proportionnelle à leur rang :
I N = I1 / n
dans le cas des redresseurs à diodes.
-
-
Les imperfections de la source et de la charge conduisent à revoir ces résultats trop simples :
si l'ondulation du courant redressé n'est pas nulle, mais si le courant redressé conserve la
même périodicité que la tension redressée, le rang des harmoniques du courant pris au réseau
n'est pas modifié mais leur valeur peut être fortement accrue.
la principale imperfection de la source est son inductance; elle rend les commutations non
instantanées: il y a empiètement des intervalles de conduction des semi -conducteurs. (L est la
somme de l'inductance du réseau à l'entrée du convertisseur et de l'inductance de fuite du
transformateur ramenée au secondaire)
Si on suppose le courant I0 parfaitement lissé, les inductances L sont sans effet entre les
commutations car alors les courants de ligne sont constants.
Mais les inductances, par ailleurs indispensables pour limiter les courants de courts-circuits,
empêchent le transfert instantané du courant d'un semi-conducteur au suivant et produisent trois
effets :
elles ralentissent la montée et la descente des courants, ce qui réduit les contraintes sur les
semi-conducteurs et réduit les harmoniques de rang élevé.
elles décalent légèrement vers l'arrière les créneaux de courant
elles produisent des encoches de commutations dans les ondes de tension à l'entrée du
redresseur.
L'analyse harmonique des courants réels montre qu'en plus des harmoniques normaux
( n = kp ± 1 en triphasé) il en existe d'autres. Ces harmoniques anormaux ont d'ordinaire une valeur
réduite, mais peuvent être très gênants s'ils provoquent des résonances. »
3.1.4.2 Redresseur alimenté en triphasé [16]
« En triphasé, on peut réduire les harmoniques des courants pris au réseau. Pour cela, il faut et
il suffit d'augmenter l'indice de pulsation p de la tension redressée, les premiers harmoniques étant
ceux de rang p-1, p+1, 2p-1,2p+1......
Le redresseur le plus usuel est le pont à 6 diodes qui délivre une tension d'indice 6.
En mettant en série ou en parallèle, grâce à une bobine interphase, deux ponts alimentés par
deux systèmes triphasés déphasés de
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π / 6 , on obtient une tension d'indice 12. »
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Avec quatre ponts alimentés par quatre systèmes triphasés déphasés de π / 12 , on obtient une
tension redressée d'indice 24........ C‛est la technique utilisée par Aluminium Pechiney pour absorber un
courant quasi sinusoïdal sur les lignes 63kV.
3.1.5. Conclusion [14]
Ce rapide survol des perturbations induites dans le réseau par les convertisseurs statiques montre
qu'il s'agit d'un vaste problème.
La réduction des perturbations n'est pas une question simple qui peut recevoir une réponse unique.
Elle dépend de la puissance locale du réseau, de la puissance du convertisseur et du type de charge qu'il
alimente.
On peut réduire les perturbations en utilisant des convertisseurs moins polluants, ou en ajoutant
des filtres [14] qui souvent sont d'un coût prohibitif. Il s‛agit de trouver un comp romis qui doit
permettre d‛obtenir les performances désirées dans les meilleures conditions économiques.
L'introduction de nouvelles techniques [14], celle des redresseurs à Modulation de Largeur
d'Impulsions et celle des filtres actifs notamment, augmentent l'éventail des solutions possibles. Elles
n'apportent pas de remède miracle à un prix très réduit. Il convient de trouver leur place dans
l'ensemble des moyens disponibles.
C'est pour cela qu'il me parait important de mettre en évidence une des possibilités de réduction
des perturbations dans le redressement triphasé. L‛étude de la distribution électrique d‛une usine
d‛électrolyse telle que celle de Lannemezan permet de rappeler que la phase de dimensionnement d‛une
installation permet de s‛affranchir de manière élégante d‛une pollution harmonique trop importante.
3.2 Fonctionnement de la sous-station
La programmation du système de gestion général de la sous-station permet :
- la lecture des différents états des groupes transformateurs redresseurs
- la détection des alarmes et des défauts
- le comptage alternatif et continu
- la régulation de l'intensité moyenne série (100kA)
- la répartition en pourcentage de la puissance nominale du débit sur chaque groupe (il faut
équilibrer la charge des différents groupes).
- la surveillance de la tg f pour éviter toute surfacturation
4. PRESENTATION DES GROUPES REDRESSEURS
4.1. Présentation générale des groupes : annexe 2 folio 19NSE5
L‛ensemble des groupes transforma teur/redresseur est mis en parallèle sur un jeu de barre
alimentant la série.
La mesure du courant traversant la série est réalisée grâce à la technique de l‛effet Hall. On
voit ci-dessous une vue de la culasse magnétique placée autour du jeu de barre alimentant la série et
incorporant dans deux entrefers les générateurs Hall.
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4.2. Association des groupes redresseurs (folio 19NSE5) :
4.2.1. Présentation des groupes transformateurs-redresseurs
On dispose de 11 groupes redresseurs au total :
Désignation
1
Caractéristiques
Yyn + Yn yn 0.25 d11.25
In (kA)
12.5
Un (V)
850
2
3
4
5
Yauto + Z y11.75 d10.75
Yyn +Yn yn0.25 d11.25
Yyn + Yn yn11.75 d10.75
Yyn + Yn yn0.25 d11.25
30
12.5
12.5
12.5
1000
850
850
850
A
B
7
8
Yauto + Z y0.5 d11.5
Yauto + Y y0 d11
Yyn + Yn y11.75 y11.75 d10.75 d10.75
Yyn + Yn y0.25 y0.25 d11.75 d11.75
25
25
15
15
940
940
880
880
9
10
Yyn + Yn y0.25 y0.25 d10.25 d11.25
Yyn + Yn y11.75 y11.75 d10.75 d10.75
15
30
880
880
repère
La série est alimentée en permanence par les groupes 1, 2, 3, 4, 5, A et B, ce qui permet
d'obtenir un redressement effectué sur 24 phases. Ce système de tension est obtenu grâce aux
indices horaires « à virgules ». L‛ondulation résiduelle sur le bus continu se situe donc à 2400 Hz.
-Tracé du diagramme de Fresnel des tensions redressées (même système primaire pour tous les
transformateurs) :
12
11
1
10
9
Cette technique de redressement a pour conséquence l'obtention d'une tension de sortie
continue présentant un très faible taux de distorsion et un facteur de forme peu différent de l'unité.
On obtient donc un courant constant traversant la série.
Du fait de la puissance mise en jeu et de la conception spécifique des groupes redresseurs, ces
derniers fonctionnent en conduction continue. Ceci est principalement du à la forte inductance de fuite
des transformateurs comme nous le verrons lors de l'étude d'un groupe.
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4.2.2. Technique de personnalisation des groupes [1]
Pour personnaliser les groupes entre eux, on procède de la manière suivante :
-
pour les couplages zigzag, on agit sur le nombre de spires n1 ou n'1 de manière à obtenir l'indice
horaire à virgule désiré (cf. étude d'un groupe redresseur)
-
pour les couplages étoiles (pseudo zigzag)
Adjonction d‛un bobinage de n spires
(n<<n1)
d‛une
autre
colonne
-
pour les couplages triangles
Prise d‛un bobinage en cours
de colonne
On peut voir sur les photos qui suivent les transformateurs et les barres d‛aluminium montantes
en sortie des transformateurs régleurs qui alimentent les armoires redresseurs situées au dessus.
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Armoires de redressement et redresseurs :
Vues de groupes redresseurs :
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5. PRESENTATION D'UN GROUPE
5.1. Introduction (Annexe folio 2NSE2)
Il s'agit d'un groupe de 12 500 A
On effectue sur chaque groupe un redressement dodécaphasé [5]. Pour un ensemble à 6 phases, on
associe deux ponts PD3 dont les alimentations sont déphasées de p/6 (utilisation de 2 couplages, 1
étoile et 1 triangle). On obtient alors une période de tension de sortie de T/12. (T période secteur)
Chaque groupe possède ce que l'on appelle des gradins ou régleurs en charge [2]. Ce sont en fait
des plots de tensions (33 au total). L‛asservissement de courant dans la série est réalisé par leur
intermédiaire.
Les transformateurs sont de construction spécifique, ils sont immergés dans du pyralène et le
refroidissement met en œuvre des radiateurs d‛huile à ventilation forcée.
On observe 2 parties bien distinctes : un premier transformateur permettant le réglage de
puissance et un second assurant la personnalisation du groupe :
Transformateur de réglage
Transformateur de personnalisation
Bobinage colonne 1
a1
Régleur
a0
a1
a0
Bobinage colonne 2
N
Aluminium Pechiney utilise un schéma permettant d'utiliser des régleurs monophasés à isolement
réduit, le point neutre sorti devant être mis à la terre par résistance. Cette technique permet de
contrôler que les régleurs placés sur les différentes phases se trouvent sur des positions équivalentes,
ce qui conduit à obtenir un système de tension équilibré. Dans le cas contraire, un courant de fuite
apparaît et on peut alors détecter un défaut concernant les régleurs. Ce système permet aussi de fixer
le potentiel des régleurs analogues près du potentiel terre afin que leurs coûts de construction
(isolement HT) soient réduits le plus possible.
Le couplage zigzag permet de personnaliser le déphasage de chacun des transformateurs des
différents groupes redresseurs pour augmenter le nombre de phases redressées totales et ainsi
diminuer l‛ondulation en sortie des redresseurs.
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5.2. Indice horaire
-
tracé des principales directions des vecteurs représentatifs :
i1
i p1
U
V
vx
2
i p2
3
n2
W
n
n'
n1
1
vy
j' 1
n'1
i '1
1'
2'
n'2
3'
Vw
V3
Zd0
Vy
V1
Vx
Vv
Zy11
U'12
Vv
Uuv
Vu
V2
-
Par permutation, on peut obtenir A23 = 6 arrangements donnant les indices horaires suivant :
coté étoile : 1,3,5,7,9,11
coté triangle : 0,2,4,6,8,10
L'obtention des indices horaires à virgules est rendu possible en jouant sur le nombre de spires n1
et n 1 .
'
5.3. Protections
Le neutre primaire HT du transformateur est mis à la terre pour éviter les surtensions lors des
manœuvres du disjoncteur coté Aluminium Pechiney ou coté EDF.
On remarque de nombreux dispositifs de protection :
o mise à la terre de la carcasse
o détection de surcharge primaire
o détection de surcharge secondaire
o détection de court circuit (fusibles)
o détection retour de courant : cette sécurité est primordiale du fait des dégâts
importants que ce défaut peut provoquer. En effet, lors du claquage d'une branche de
redressement, les autres groupes ou bien la série (équivalente à une charge E;R)
peuvent alors débiter sur le groupe en défaut. Pour éviter ce disfonctionnement, on
détecte continuellement le courant inverse traversant les barres continues en sortie
des ponts, soit par effet Hall, soit par mesure de tension sur une longueur de barre
donnée.
o limitation des variations de tensions entre phases et aux bornes des diodes par des
circuits RC
o détection de court circuit interne : relais Bucholz
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5.4. Etude théorique [4] [5]
5.4.1. Transformateur : voir annexe 4 folio 2NSE3
-
Détermination de l'inductance de fuite (on admettra Xs >> Rs)
UCC = 16 % (annexe
folio 2NSE3)
V2CC = RS I 2CC cos ϕ2CC + X S I 2CC sin ϕ2CC
En négligeant RS, on obtient pour l‛essai en CC à I2N:
X S = V2CC / I 2 N = (0.16 × 633 / 3 ) / 5540 = 10,55mΩ donc LS=33,6µH
-
Calcul de l'empiètement pour un groupe :
1 − cos α = 2 X S I 0 / U max donc α = Arc cos(1 − 2 ×10,5510 −3 × 6250 /( 633 × 2 )) = 31.5°
On constate un empiétement très important qui permet l‛association en parallèle de l‛ensemble
des ponts sans bobine inter-pont
5.4.2. Courant primaire du transformateur
Si on reconstitue le courant au primaire du transformateur de personnalisation, en remarquant
que d'un point de vue puissance, le couplage zigzag est équivalent à un couplage étoile ( on rappelle que
le couplage zigzag ne sert qu'à personnaliser le groupe ), on a :
i1
1
ip1
n1
2
1
2
n2
3
i' 1 1
'
3
2'
n'2
3'
On rappelle que n' = 3 n , de manière à obtenir des tensions de valeurs équivalentes en sortie des
2
2
secondaires des transformateurs de personnalisation. On a alors :
n1i p1 − n2i1 − 3n2 j '1 = 0
n1i p2 − n2i2 − 3n2 j '2 = 0
n1i p3 − n2i3 − 3n2 j '3 = 0
On en déduit :
j '1 = i '1 + j '3
j '2 = i '2 + j '1
j '3 = i '3 + j '2
( n1 / n 2 )i p1 = i1 + (i '1 −i ' 2 ) / 3
L‛exploitation théorique de ces relations permet de tracer les formes d‛ondes ci-dessous :
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Couplage Z y0 d11
Coté y
U1 2
V1
V2
U1 3
U2 3
U2 1
U3 1
U3 2
V3
t
U' 1 2
Coté d
U' 1 3
U '2 3
U '2 1
U '3 1
U '3 2
t
i'1
I0
i'2
I0
-I 0
'
'
( 3 / 3)(i 1 − i 2 )
i1
t
-I0
t
(2 /
3)I
0
I
0
/
3
t
I0
t
-I0
(n1 /n2 )ip1
((2 +
3 ) / 3)I
0
((1 +
3) /
3)I
0
I
0
/
3
t
On voit que le courant absorbé au primaire épouse par palier la forme d‛une sinusoïde. On
comprend l'intérêt d'un tel montage du point de vue énergétique.
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5.4.3. Simulation de fonctionnement
On va simuler le fonctionnement d'un groupe redresseur isolé, grâce au schéma suivant :
Les sources forment un système de tension de 633 V entre phases déphasées de π / 6 . La charge des
ponts est une résistance pure. (L‛effet inductif de la série est négligeable et elle est équivalente à une
charge E, R).
D7
V4
L4
V5
L5
D8
D9
34uH
R11
34uH
10
V6
L6
34uH
D10
D11
D12
D13
D14
D15
0
V7
L7
34uH
R12
V8
L8
10
34uH
V9
L9
34uH
D16
D17
D18
Sur les résultats de simulation, on constate que les ponts sont bien en conduction continue. La
forte inductance de fuite structurelle de ces transformateurs en est responsable. L‛inconvénient est
une chute de la valeur de la tension moyenne due à l‛empiétement [12]. On voit bien que l‛indice de
pulsation de la tension redressée est de 12.
100
50
0
-50
-100
0s
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4ms
V(R11:2,D12:1)/10
8ms
V(R12:2,R12:1)/10
12ms
16ms
20ms
-I(L4)
Time
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6. ANNEXES et FOLIOS
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Annexe 1 : synoptique « schéma de fabrication de l‛aluminium »
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Annexe 2 : folio 2NSE5
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Annexe 3 : folio 2NSE2
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Annexe 4 : folio 2NSE3
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Annexe 5 : folio 10SXE04
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SOLAZ Philippe
R
E
A-0
A-0
Pertes Energétiques
Pollution(Poussières,fumées)
Dèchets Cathodes
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USINE ALUMINIUM-PECHINEY
FABRIQUER DE L'ALUMINIUM
ALUMINIUM
Aluminium Haut Titre,Pollution minimum
Eau,Continuité de Fabrication....
Puissance souscrite à EDF....
FABRIQUER DE L'ALUMINIUM
CC
Choix des configurations....
Point de vue technologique en électrotechnique
MATIERES
PREMIERES
EAU
Energie
électrique
63 KV
W
W
63 KV....
7. ANALYSE FONCTIONNELLE
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Coke, brai
Fonte
Pâte carbonisée
Briques
réfractaires
Cryolithe
Alumine
Fluorure
d'aluminium
MATIERES
PREMIERES
LIGNES EDF
2 x 63 KV 3~
EAU
63 KV
R
Energie
continue
Sous station
Groupe SX
E
R
E
A5
C
Nbre de
cuves en
service
E
Anodes Cathodes
usées
Cuves et anodes
neuves
Série
Fabriquer
l'aluminium
brut
A2
W
220 V ~
380 V 3~
12750 V 3~
Continuité de
fonctionnement
Chantier de scellement
Usine à pâte ARC
Réaliser
les cuves
Gaz W
Eau
Collerettes
Nbre de cuves à
fabriquer
A1
A 0
C
Puissance
souscrite
Gèrer
l'énergie
W
Choix des
configurations
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Al brut
Fumées
Aluminium
haut titre
E
R
Fonderie
E
Cryolithe
EAU
Station
d'épuration
Traiter
l'aluminium
brut
A3
W
A4
Traiter les
rejets
W
Pollution
minimum
CATHODES
DECHETS
ALUMINIUM
PERTES
ENERGETIQUES.
informations cuves
POLLUTIONS
SOLAZ Philippe
2*63 KV 3~
A
1
C
R
R
E
E
Groupes
secours
A13
Jeu de barre
Sonde à effet Hall
Distribuer et
mesurer l'énergie
W
220 V~
Energie continue
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Image courant série
Groupes
transformateurs
Redresseurs
Informations position
régleurs
A12
220 V~
Transformateurs
Ordre de déclenchement
E
optimal
800 V CC
100 000 A
pertes
énergétiques
230 V ~
400 V ~
12750 V ~
Dilemne puissance souscrite/fonctionnement
Adapter
l'énergie
W
A14
220 V~
continuité de
fonctionnement
Transformer
l'énergie
W
220 V~
63 kV 3~ Ly
63 kV 3~ Lx
Micro général sous-station
Gérer
l'énergie
W
220 V~
Disjoncteurs
Sectionneurs
A15
A11
E
Choix
des configurations
Diriger
l'énergie
W
63 KV 3~
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cryolithe
fluorure
d'aluminium
et autres ..
Cuves et
anodes neuves
ENERGIE
CONTINUE
ALUMINE
A2
Aluminium
haut-titre
W
R
Silos
Stocker
l'alumine
E
E
alumine
stockée
ordre
entretien
cuve
E
cuves
Réduire l'alumine
en aluminium métal
R
approvisionnement alumine
A25
C
info plan anodique
micro cuve
Gérer le
fonctionnement
A23
des cuves
secteur
secteur W
W
A21
secteur
secteur
3 * 380 V
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W
C
E
grues,ponts
A26
pont,poche de coulée
engin de transport
Extraire et
transporter
l'al.brut
E
cassage bain
informations cuves
Vax
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Al brut
dans cuve
energie auxiliaire
W
secteur
nombre de cuves
en service
Distribuer l'alumine
entretenir les cuves
E
Editer le
fonctionnement
A 2 4 des cuves
W
A22
secteur
secteur
continuité de
fonctionnement
anodes et
cathodes
usées
fumées
Aluminium
brut extrait
Edition du
fonctionnement
des cuves
Pertes
énergétiques
SOLAZ Philippe
cathodes
usées
pâte carbonée
briques
réfractaires
ALuminium
brut
Anodes
usées
FONTE
COKE
BRAI
A 5
220 V~
R
R
R
Atelier
réfection cuves
R
Préchauffage
Tridents vierges
A53
Réchauffer
les tridents
W
Anodes
neuves
Nombre d'anodes
à fabriquer
nombre de cathodes
à réparer
Refectionner
les cathodes
A56
W
Cassage
Séparer les
anodes usées
des tridents
A52
W
Gaz
Usine à pate
Restes d'anodes
A51
Fabriquer
l'anode
W
12750 V~
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R
E
Page 31 sur 33
morceaux
de fonte
Parties anodiques
brutes
Tridents chauds
Scellement
Réaliser les
parties
A 5 4 anodiques
W
Nombre de cathodes
à réparer
Eau
R
A55
E
Chemisage
Chemiser
W
Aluminium
haut-titre
Colerettes
dèchets
cathodes
neuves
cathodiques
Parties
anodiques
neuves
Parties
Pertes
énegetiques
SOLAZ Philippe
Tridents
chauds
Anodes
neuves
Fonte
Morceaux
de fonte
R
A54
C
E
Transformateur à régleurs
Régler le
niveau
de tension
R
Compenser
l'énergie
réactive
R
énergie compensée
énergie réglée
Batterie de condensateurs
A543
W
Secteur
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Informations sécurité ( isolement )
et puissance ( cos ϕ )
Sécurités ( perçage cathodes.. )
Four à induction
à la fréquence du
réseau (type Junker)
et poste de scellement
Fondre la fonte
et sceller les
anodes aux
A544 tridents
Secteur W
four 1 ou 2
"système"
électromécanique
A542
W
Secteur
EAU ( refroidissement )
réglage démarrage et compensation
nombre d'anodes
à fabriquer
12750 V 3~
Gérer les
impératifs
d'exploitation
A541
W
cos ϕ
12750 V 3~
et secteur
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PARTIES
ANODIQUES
BRUTES
Pertes
énergétiques
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8. BIBLIOGRAPHIE
[1] :
p 461
Théodore WILDI : Electrotechnique deuxième édition : transformateur à déphasage variable :
Les presses de l‛université Laval : ISBN 2-7637-7248-X
[2] :
Guy SEGUIER Francis NOTELET : Electrotechnique Industrielle : dispositifs de réglage en
charge : p 232
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-979-2
[3] :
Guy SEGUIER Francis NOTELET : Electrotechnique Industrielle : passage du triphasé à un
nombre de phases multiples de 3 : p 240
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-979-2
[4] :
Guy SEGUIER : L‛électronique de puissance : Les groupements de redresseurs à diodes : p 92
Dunod : ISBN 2-04-019861-X
[5] :
Guy SEGUIER : Les convertisseurs de l‛électronique de puissance volume 1 : La conversion
alternatif-continu : groupement en paralléle donnant une tension redressée d‛indice 12 : p 101
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-247-X
[6] :
Guy SEGUIER : Les convertisseurs de l‛électronique de puissance volume 1 : La conversion
alternatif-continu : réaction des redresseurs à diodes sur le réseau d‛alimentation : p 107
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-247-X
[7] :
Guy SEGUIER : Les convertisseurs de l‛électronique de puissance volume 1 : La conversion
alternatif-continu : comparaison et choix des montages : p 114
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-247-X
[8] :
Guy SEGUIER : Les convertisseurs de l‛électronique de puissance volume 1 : La conversion
alternatif-continu : perturbations induites dans le réseau d‛alimentation p 119
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-247-X
[9] :
Guy SEGUIER : Les convertisseurs de l‛électronique de puissance volume 1 : La conversion
alternatif-continu : effets des harmoniques : p 123
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-247-X
[10] : Guy SEGUIER Francis NOTELET : Electrotechnique Industrielle : les harmoniques conduits :
propagation : p 173
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-979-2
[11] : Guy SEGUIER : L‛électronique de puissance : comparaison des montages : harmoniques des
courants primaires : p 97
Dunod : ISBN 2-04-019861-X
[12] : Guy SEGUIER : Les convertisseurs de l‛électronique de puissance volume 1 : La conversion
alternatif-continu : Commutation : chute de tension : p 34
Lavoisier Tec et Doc : ISBN 2-85206-247-X
[13] : Cahier Technique MERLIN GERIN n°152 : Les perturbations harmoniques dans les réseaux
industriels et leur traitement
[14] : Cahier Technique MERLIN GERIN n°183 : Harmoniques : convertisseurs propres et
compensateurs actifs
[15] : Intersection magazine Schneider Electric de l‛enseignement technologique et professionnel
Juin 2000 : les perturbations électromagnétiques basse et haute fréquence
[16] : Cahier technique MERLIN GERIN n°160 : Harmoniques en amont des redresseurs
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