Partie 1 installations electriques ch1 introduction FI GET

UNIVERSITÉ HASSAN II DE CASABLANCA
Faculté des Sciences et Techniques
Département de Génie Électrique
Partie
1
INSTALLATIONS
ÉLECTRIQUES
1
Chapitre 1:
Introduction au Installations
Electriques

Exploitation de l’énergie électrique.

Grandeurs caractéristiques de l’énergie électrique.

Installations de la Moyenne Tension et Basse Tension.

Canalisations et conduits.

Équipements des installations Basse Tension.
2
Exploitation de l’énergie électrique
L’énergie électrique est au cœur des installations industrielles :

Unités de production automatisées.

Entraînements électromécaniques.

Métallurgie, pompage, raffineries, extractions minières.

Traction ferroviaire et maritime.

Robotique et commande numérique.

Transmission de données, chaînes de capteurs.

Traîtement de l’information, imagerie, etc.
3
Exploitation de l’énergie électrique
Avantages :
 Rendement élevé.
 Maintenance réduite (machines électriques).
 Souplesse et rapidité de réglage.
 Absence de pollution.
Inconvénients :
 Impossibilité de stockage d’énergies importantes.
 Équipements des fois onéreux.
 Personnel d’intervention qualifié sous peine de provoquer des dégâts
graves humains et matériels.
4
Champs d’application
Application
Type de machines utilisées
Production de l'énergie
électrique
Génératrices synchrones (jusqu'à 2000 MW)
Compensateurs synchrones (300 MW)
Traction électrique
Transport ferroviaire (locomotive 4 MW)
Transport maritime (30 MW)
Transport sur roues (engins de travaux)
Entraînements industriels
Métallurgie (laminoirs)
Industrie textile, chimique, papeterie
Cimenteries (broyeurs)
Pompes, compresseurs, ventilateurs
Machines outils
Mécatronique
Système de positionnement, robotique
Périphériques des ordinateurs
Horloges, photocopieurs, fax
Aéronautique, Automobile
Instrumentation
Transducteurs, tachymètres
Micro-actionneurs intégrés
Relais, électro-aimants
5
Conversion de l’énergie électrique
Convertisseurs d’énergie
Convertisseurs
Statiques
Convertisseurs
Dynamiques
Convertisseurs
Magnétiques
Convertisseurs
Electroniques
Transformateurs
DC-DC : Hacheurs
Machines à CC
AC-DC : Redresseurs
Machines Asynchrones
DC-AC : Onduleurs
Machines Synchrones
AC-AC : Gradateurs
Machines Spéciales
Relais
Convertisseurs
Electromécaniques
6
Production de l’énergie électrique
Source CA
Source CC
Génératrice
Asynchrone
Éolienne
Alternateur
Synchrone
Turbine
Génératrice
CC
Turbine
Cellules
Photovoltaïques
Photons
+
-
7
Alternateur triphasé
Principe :
Un système inducteur (aimant) entraîné en rotation à la vitesse s,
crée dans une armature triphasée (induit) un système de trois
tensions sinusoïdales équilibrées.
Ea
Eb
A
Ec
(a)
t
(c)
s
(b)
B
Paramètres :
Valeur efficace :
E = s r
Pulsation des f.é.m. : s = p s = s
C
8
Centrale thermique
6
4
7
1
5
8
9
2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Chaudière
Brûleurs
Combustible
Ballon
Cheminée
Turbine
Alternateur
Pompe
Condensateur
Eau de refroidissement
10
Circuit eau-vapeur
Centrale
thermique à flamme : Schéma de principe
3
Centrale à flamme : Schéma de principe
9
Centrale thermique
Groupe Alternateur-Excitatrice
entraînées par la même turbine.
Rotor d’une turbine
à vapeur.
10
Centrale hydraulique
Turbine Francis
Moyenne chute : 30 à 750 m
11
Groupe électrogène
Réseau d’urgence :
Groupe Électrogène à
Centrale Diesel.
12
Génératrice éolienne
Éolienne isolée
Coupe détaillée
d’une éolienne
Parc éolien
couplé au réseau
électrique
13
Cellules photovoltaïque
p éléments en série
Photocellule
e
r
q blocs en
parallèle
Nombre de cellules : n = pq
Système de rétraction à
airbag pour l’opération
"aMarsissage“.
14
Distribution électrique
Les réseaux de distribution assurent l’acheminement de l’énergie électrique.
Acheminement vers les sites d’exploitation :
 Grandes industries alimentées directement par les réseaux :
Réseaux à Très Haute Tension (THT)
Réseaux à Haute Tension (HT)
 Petites et Moyennes industries :
Réseaux à Moyenne Tension (MT) :
3 kV à 33 kV
 Edifices et logement d’habitation :
Réseaux à Basse Tension (BT) : 110 V à 600 V.
Depuis janvier 1989, la récente publication UTE C 18-510 relative à la sécurité
sur les ouvrages électriques a défini le nouveau domaines basse tension (BT)
• Domaine Basse Tension B (BTB) :
500 V à 1000 V
• Domaine Basse Tension A (BTA) :
50 V à 500 V
• Domaine Très Basse Tension (TBT) : < 50 V
15
Distribution électrique
ONCF
16
Installations Moyenne Tension
Une industrie est généralement un abonné MT.
À partir de 100 kVA, l’abonné doit avoir ses propres postes :

Transformateur MT/BT

Cellule de sectionnement

Cellule de comptage MT
Pour S > 800 kVA, l’énergie électrique est acheminée aux différents
parcs machines à partir d’un TGBT comportant :
•
Disjoncteur
•
Jeu de barres
•
Fusibles.
17
Installations Basse Tension
Utilisation
Équipements des petites unités industrielles, administratives ou
domestique.
Fonctionnalité
Une installation BT doit répondre aux exigences suivantes :

Acheminement de l’énergie de manière la plus continue possible.

Sécurité des personnes et des équipements.

Réduction des pertes au transport.
 La mise en place d’une installation électrique ou son extension tient
compte de l’usage des équipements et leurs caractéristiques.
18
Structure d’une installations BT
19
Résistance d’un conducteur
Un conducteur, de longueur ℓ et de section S, parcouru par un courant
électrique i et soumis à une tension v.
A
Courant i
ℓ
B
S
Tension v
Tension aux bornes du conducteur :
Résistance du conducteur :
Conductance d’un conducteur :
1 
v
  i  R i Loi d’Ohm
 S
v 1
Unité : Ohm ()
R 
i S
G
i 1

Unité : Siemens (S)
v R
20
Résistivité d’un conducteur
La résistance d’un conducteur s’écrit :
R
1

S
S
La résistivité  du conducteur est donnée par :
1
  Unité : Ohm-mètre (.m)

La résistivité dépend également de la température :
    0 1   
0 : résistivité à la température  = 0 °C.
 : coefficient de température du matériau.
 : température d’utilisation en °C.
21
Effet Joule
Lorsqu’un courant électrique circule dans un conducteur, les électrons
libres entrent en collision avec les ions fixes du conducteur. Ces chocs
répétitifs entraînent une augmentation de la température : effet Joule.
Soit un conducteur de résistance R, parcouru par un courant d’intensité
i et soumis à une tension v.
La puissance dissipée par effet Joule est :
2
v
p  v i  R i2 
R
L’énergie consommée est entièrement convertie en chaleur.
22
Transformateurs
Éléments magnétique à deux paires de bornes :
Circuit magnétique
Primaire
Secondaire
i1
v1
i2
n1
n2
i1
v1
v2
Source
i2
v2
Charge
Récepteur à
la source.
Générateur
à la charge.
Symbole du
transformateur.
Rapport de transformation :
v2 n2
m

v1
n1
m  1 : transformateur élévateur de tension.
m  1 : transformateur abaisseur de tension.
m = 1 : transformateur d’isolement.
23
Puissances en régime triphasé
Puissance complexe :
S = 3 V . I*
Puissance apparente :
S = │S│ = 3 VI
Puissance active :
P = Re {S} = 3 VI cos
Puissance réactive :
Q = Im {S} = 3 VI sin
Facteur de puissance :
Fp = P/S = cos
24
Facteur de puissance
Pour une puissance active donnée, plus le facteur de puissance est
faible, plus la puissance apparente est grande et plus le courant sur
la ligne d'alimentation est élevé.
Ceci entraîne des équipements d'alimentation (ligne de transport,
transformateurs, …) de grande capacité ainsi que des pertes Joule
sur la ligne de transport trop élevées.
25
Compensation
Afin d'augmenter le facteur de puissance de l'installation, on connecte
en parallèle un condensateur de valeur appropriée.
Avant :
Q
P , Q , S et 
QC
Après :
P , Q’ , S’ et ’

’
Q’
P
Le condensateur fournit la puissance réactive nécessaire pour
compenser celle absorbée par la charge inductive.
26
Calcul de la capacité
Les condensateurs de compensation couplés en Y :
CY 
P tg   tg '
U²
Les condensateurs de compensation couplés en Δ :
C 
P tg   tg '
3 U²
Le couplage Y est moins intéressant puisque la capacité des
condensateurs nécessaires est 3 fois plus grande qu’en Δ.
Plus la capacité est grande, plus le condensateur est volumineux et
onéreux.
27
Exemple
Une usine consomme une puissance active : P = 1 MW ; Fp = 0.57 AR
Puissance apparente :
Puissance réactive :
Transformateur
Ligne
Usine
Fp = 0.57 AR
P = 1000 kW
Pylône
Fp = 0.57
P = 1000 kW
On désire augmenter le facteur de puissance à : Fp’ = 0.95
28
Conducteurs et câbles électriques
Deux codes sont actuellement en vigueur :
 Désignation UTE : Union Technique de l’Electricité.
 Désignation CENETC : Comité Européen de Normalisation de
l’ELECtrotechnique
Enveloppe isolante
Ame conductrice
Conducteur isolé
Câble électrique
29
Désignation UTE
Type de
Normalisation
Ame
Conductrice
U : Code UTE
R : Rigide
S : Souple
Matériau d’Isolation ou de Grainage
C : Caoutchouc Vulcanisé
N:
Polychloropène
X : Polyéthylène réticulé (PR)
V : Polychlorure de Vinyle (PVC)
P : Plomb
Isolant
U
500
Tension
Nominale
250 : 250 V
500 : 500 V
1000 : 1000
V
S
Métal de
l’Ame
C : Cuivre
A:
Aluminium
A
R
G
Bourrage
Gaine Interne
P
F
Armature
Métallique
G : Matière élastique
F:
formant gaine de
bourrage.
0 : Pas de bourrage.
1 : Gaine
assemblage ou de
protection.
Feuillard
Gaine Externe
V
3X35
1 2
3
Composition du
câble
1: Nombre
de
conducteurs.
2: X ou G si
conducteur PE
présent.
3: Section des
conducteurs
30
Désignation CENELEC
Matériau d’Isolation ou de
Grainage
Type de
Normalisation
H : Câble normalisé
A : Câble dérivé du
type national
N : Câble national
V : Polychlorure de Vinyle (PVC)
N : Polychloropène (PCP)
X : Polyéthylène réticulé (PR)
R : Caoutchouc naturel
P:
Plomb
Isolant
H
05
Souplesse de l’Ame
V
U : Ame rigide massive
R : Ame rigide câblée
F : Ame souple classe 5
K : Ame souple classique
H : Ame extra souple classe 6
Gaine Externe
V
H
C
F
Tension
Nominale
Construction spéciale
Métal âme
métallique
03 : 300 V Max
05 : 500 V Max
07 : 700 V Max
1: 1 kV Max
H :Câble méplat divisible
H2 : Câble méplat non
C : Cuivre
A : Aluminium
divisible.
31 G2 35
3
Composition du
câble
1
: Nombre de
conducteurs.
2 : X ou G si
conducteur PE
présent.
3 : Section des
conducteurs
31
Choix des conducteurs
Câble électrique
32
Pose des conducteurs

Câbles nus
Lignes aériennes pour
le transport de
l’énergie électrique.

Câbles enterrés
Fourreaux et grillages
Électricité
Eau
Gaz
Téléphone
33
Goulottes et chemins de câble
Goulottes
Chemins de câble
Électricité
Chemins de câble
avec couvercle Eau
Gaz
Téléphone
34
Désignation des Conduits
35
Types de Conduits
36
Passage des conducteurs
Des conducteurs appartenant à des circuits différents peuvent
emprunter le même conduit, sous réserve que tous les conducteurs
soient isolés pour la tension assignée présente la plus élevée.
Les dimensions intérieures des conduits est de sorte à ce que le
parcours comporte peu de coudes et si la section totale des
conducteurs (isolant compris) ou des câbles est égale au 1/3 de la
section intérieure.
Correct
Nombre de conducteurs
satisfaisant
Incorrect
Trop de conducteurs
dans le conduit
37