les équipements générateurs et moteurs électriques
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LES ÉQUIPEMENTS GÉNÉRATEURS ET MOTEURS ÉLECTRIQUES SUPPORT DE FORMATION Cours EXP-PR-EQ150-FR Révision 0.2 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques LES ÉQUIPEMENTS GÉNÉRATEURS ET MOTEURS ÉLECTRIQUES SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................7 2. INTRODUCTION AUX MACHINES ÉLECTRIQUES .......................................................8 2.1. ALTERNATEURS ET MOTEURS .............................................................................8 2.1.1. Différentiation ....................................................................................................8 2.1.2. Constitution .......................................................................................................9 2.1.3. L’induction électromagnétique.........................................................................11 3. GÉNÉRATION DE COURANT ÉLECTRIQUE...............................................................12 3.1. GÉNÉRATION DE COURANT CONTINU...............................................................12 3.1.1. Les batteries....................................................................................................12 3.1.2. Les Cellules photovoltaïques...........................................................................13 3.1.3. T.E.G. Thermo Électrique Générateur.............................................................15 3.1.4. Générateurs rotatifs.........................................................................................16 3.1.4.1. Conversion d’énergie .................................................................................16 3.1.4.2. Symbole .....................................................................................................16 3.1.4.3. Constitution ................................................................................................16 3.1.4.4. Principe du générateur à CC......................................................................17 3.1.4.5. Différents types de machines CC...............................................................19 3.2. GÉNÉRATION DE COURANT ALTERNATIF .........................................................21 3.2.1. Principe du générateur à courant alternatif......................................................21 3.2.2. Génératrice à aimant permanents ...................................................................24 3.2.3. Principe de l’alternateur de base .....................................................................26 3.2.3.1. Alternateur à 2 paires de pôles ..................................................................26 3.2.3.2. Alternateur à ‘x’ paires de pôles .................................................................27 3.2.4. Rectifieurs / Onduleurs ....................................................................................27 4. LA MACHINE SYNCHRONE – L’ALTERNATEUR ........................................................29 4.1. PRINCIPE ET FONCTION DES ALTERNATEURS DE PUISSANCE.....................29 4.2. LES PRINCIPAUX COMPOSANTS ........................................................................31 4.2.1. Le stator ..........................................................................................................31 4.2.2. Le rotor ............................................................................................................32 4.2.3. Excitatrice........................................................................................................33 4.2.4. Les paliers .......................................................................................................34 4.2.5. Détecteurs de température à résistance..........................................................34 4.2.6. Résistance de chauffage .................................................................................34 4.2.7. Carcasse .........................................................................................................35 4.3. CONSTITUTION D’UN ALTERNATEUR.................................................................36 4.3.1. Le générateur synchrone monophasé .............................................................36 4.3.2. Le générateur synchrone triphasé ...................................................................37 4.3.3. Générateur à courant alternatif en général......................................................38 4.3.4. Constitution du rotor ........................................................................................40 4.3.5. Isolation ...........................................................................................................42 4.3.6. Refroidissement ..............................................................................................42 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 2 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.3.7. Résistance de mise à la terre du point neutre .................................................44 4.3.8. Paliers isolés ...................................................................................................44 4.4. EXCITATION D’UN GÉNÉRATEUR .......................................................................45 4.4.1. Excitation classique .........................................................................................45 4.4.2. Excitation statique ...........................................................................................46 4.4.3. Excitation sans balais (cas général) ................................................................47 4.4.4. Excitation sans balais (sans excitatrice pilote) ................................................47 4.4.5. Excitation sans balais (avec excitatrice pilote) ................................................48 4.4.6. Pont de diodes ................................................................................................49 4.4.7. Les différentes pièces d’un alternateur............................................................51 5. CONNEXIONS ET PROTECTIONS D’UN GÉNÉRATEUR ...........................................53 5.1. CONNEXIONS D’UN GÉNÉRATEUR.....................................................................53 5.1.1. Le système Delta.............................................................................................53 5.1.2. Générateur connectlé en delta ........................................................................54 5.1.3. Le système en étoile........................................................................................56 5.1.4. Générateur connecté en étoile ........................................................................57 5.2. PROTECTIONS D’UN GÉNÉRATEUR ...................................................................59 5.2.1. Codes ANSI attribués aux protections.............................................................59 5.2.2. Protection classique d’un générateur comportant une seule ligne ..................60 5.2.3. Descriptions détaillées des protections de générateur ....................................62 5.2.3.1. Fonctions des protections connectées aux transformateur de courant neutre de générateur...............................................................................................62 5.2.3.2. Fonctions des protections connectées à des transformateur de tension....62 5.2.3.3. Fonctions des protections connectées à des transformateurs de courant côté ligne (fonctionnement en parallèle uniquement)..............................................62 5.2.3.4. Fonctions des protections mécaniques de générateur, connectées à des capteurs ..................................................................................................................63 5.2.4. Contrôles pratiques à effectuer par les opérateurs..........................................63 5.2.4.1. Révision .....................................................................................................63 5.2.4.2. Protection de retour de puissance active ...................................................64 5.2.4.3. Protection de retour de puissance réactive (perte d’excitation)..................65 6. FONCTIONNEMENTT ET RÉGULATION D’UN ALTERNATEUR ................................67 6.1. RÉGLAGE DE CHARGE D’UN GÉNÉRATEUR (OU D’UN ALTERNATEUR) ........67 6.2. VARIATEURS AUTOMATIQUES DE TENSION (AVR) ..........................................69 6.2.1. Point de consigne d’un AVR (vériateur automatique de tension) ....................69 6.2.2. Variation de tension sur un générateur à courant alternatif .............................69 7. MISE EN PARALLÈLE ET SYNCHRONISATION DE GÉNÉRATEURS .......................71 7.1. CONDITIONS DE MISE EN PARALLÈLE...............................................................71 7.1.1. Introduction......................................................................................................71 7.1.2. Condition 1 : fonctionnement en phase identique............................................72 7.1.3. Condition 2 : fréquence identique....................................................................74 7.1.4. Condition 3 : tension identique ........................................................................76 7.1.5. Condition 4 : Synchronisarion ou phasage ......................................................77 7.2. SYNCHRONISATION / MISE EN PARALLELE ......................................................80 7.2.1. Prêt pour le couplage ......................................................................................80 7.2.2. Manoeuvres de couplage avec lampe d'un alternateur monophasé :..............80 7.2.3. Manoeuvres de couplage avec lampe d'un alternateur triphasé :....................82 7.2.4. Manœuvres de couplage avec synchronoscope .............................................84 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 3 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 7.2.5. Tolérances de couplage ..................................................................................85 7.3. FONCTIONNEMENT DES COMMANDES EN PARALLÈLE ..................................86 7.3.1. Application de charge ......................................................................................86 7.3.2. Répartition des charges...................................................................................86 7.3.3. Mode de commande statisme et Isochrone.....................................................89 8. MAINTENANCE D’UN ALTERNATEUR ........................................................................92 8.1. REMPLACEMENT D’UNE DIODE ..........................................................................92 8.2. REMPLACEMENT D’UNE VARISTANCE...............................................................96 8.3. SÉCHAGE DES ENROULEMENTS........................................................................97 8.3.1. Résistances de chauffage ...............................................................................97 8.3.2. Air forcé ...........................................................................................................97 8.4. DIFFICULTÉS OPÉRATIONNELLES .....................................................................98 8.4.1. Généralités ......................................................................................................98 8.4.2. Tableau de dépistage des pannes ..................................................................98 8.4.3. Résistance d’isolement....................................................................................99 9. MOTEUR SYNCHRONE .............................................................................................101 9.1. MOTEUR SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS.........................................101 9.2. MOTEUR SYNCHRONE À ROTOR BOBINÉ .......................................................103 9.2.1. Avantages du moteur synchrone (à rotor bobiné) .........................................103 9.2.2. Inconvénients du moteur synchrone (à rotor bobiné) ....................................104 9.3. LES AUTRES MOTEURS SYNCHRONES...........................................................105 9.3.1. Les moteurs linéaires ....................................................................................105 9.3.2. Les moteurs asynchrones synchronisés........................................................105 9.3.3. Les moteurs pas à pas ..................................................................................105 9.3.3.1. Moteur synchrone pas à pas ‘Lavet’.........................................................108 9.3.3.2. Moteur synchrone pas à pas à griffes ......................................................109 9.3.3.3. Moteur synchrone pas à pas ‘Escap’ .......................................................109 9.3.3.4. Moteur synchrone pas à pas hybrides .....................................................110 10. MOTEUR TRIPHASÉ ASYNCHRONE ......................................................................111 10.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT...................................................................111 10.1.1. Principe magnétique....................................................................................111 10.1.2. Création du champ tournant ........................................................................112 10.1.3. Glissement ..................................................................................................113 10.1.4. Vitesse de synchronisme.............................................................................114 10.2. CONSTITUTION .................................................................................................115 10.2.1. Le stator ......................................................................................................115 10.2.2. Le rotor ........................................................................................................116 10.3. LES DIFFERENTS TYPES DE ROTOR .............................................................117 10.3.1. Le rotor à cage ............................................................................................117 10.3.1.1. Rotor à cage résistante ..........................................................................117 10.3.1.2. Rotor à simple cage ...............................................................................118 10.3.1.3. Rotor à double cage ...............................................................................119 10.3.1.4. Rotor à encoches profondes ..................................................................119 10.3.2. Le rotor bobiné (rotor à bagues)..................................................................120 11. AUTRES TYPES DE MOTEURS ÉLECTRIQUES.....................................................121 11.1. MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASÉS ...................................................121 11.1.1. Constitution .................................................................................................121 11.1.1.1. Le stator .................................................................................................121 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 4 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 11.1.1.2. Le rotor...................................................................................................121 11.1.2. Principe de fonctionnement .........................................................................121 11.1.3. Démarrage moteur monophasé avec condensateur ...................................122 11.1.3.1. A condensateur permanent moteur biphasé ..........................................122 11.1.3.2. Moteur à condensateur permanent et à bobinage dit « 1 / 3 - 2 / 3 ».....122 11.1.3.3. Moteur à condensateur de démarrage (et à bobinage « 1 / 3 - 2 / 3 ») .123 11.1.4. Moteur triphasé en monophasé...................................................................125 11.1.4.1. Avec des condensateurs ........................................................................125 11.1.4.2. Avec un "moteur pilote"ou transformateur convertisseur de phases ......127 11.1.4.3. Avec un convertisseur de fréquence ......................................................128 11.2. MOTEURS À COURANT CONTINU ...................................................................129 11.2.1. Introduction..................................................................................................129 11.2.2. Constitution .................................................................................................129 11.2.3. Principe de fonctionnement .........................................................................130 11.2.4. Différents types de moteurs à courant continu ............................................132 11.2.4.1. A excitation parallèle (séparée ou shunt) ...............................................132 11.2.4.2. A excitation série....................................................................................132 11.2.4.3. A excitation série parallèle (composée ou « compound ») .....................133 12. EXPLOITATION DES MOTEURS ASYNCHRONES .................................................134 12.1. RACCORDEMENTS ET COUPLAGE.................................................................134 12.1.1. Boîte de raccordement ou plaque à bornes.................................................134 12.1.2. Sens de rotation ..........................................................................................135 12.1.3. Autres couplages des enroulements statoriques.........................................136 12.1.3.1. Moteurs à couplage de pôles .................................................................136 12.1.3.2. Moteurs à enroulements statoriques séparés ........................................137 12.1.4. La plaque signalétique.................................................................................138 12.2. CONDITIONS PARTICULIÈRES D’EXPLOITATION ..........................................140 12.2.1. Protection mécanique..................................................................................140 12.2.2. Refroidissement ..........................................................................................140 12.2.3. Moteur pour atmosphère explosive .............................................................142 12.2.3.1. Sécurité augmentée (increased Safety) EEx ‘e’ .....................................142 12.2.3.2. Enveloppe anti-déflagrante ‘d’................................................................143 12.2.3.3. Enveloppe pressurisée ‘p’ ......................................................................144 12.2.3.4. Non incentive ‘n’.....................................................................................144 12.2.4. Opération à 60 Hz .......................................................................................145 12.3. SCHÉMAS DE BASE - ALIMENTATION DES MOTEURS .................................146 12.3.1. Démarrage direct d'un moteur triphasé par disjoncteur-moteur...................146 12.3.2. Démarrage direct d'un moteur mono par contacteur ...................................148 12.3.3. Démarrage protection moteur à 2 sens de rotation .....................................149 12.3.4. Démarrage étoile triangle ............................................................................150 12.4. DISPOSITIFS DE PROTECTION DES MOTEURS ............................................152 12.4.1. Protection thermique ...................................................................................152 12.4.2. Protection électromagnétique......................................................................152 12.4.3. Protection par disjoncteur magnétothermique .............................................153 12.4.4. Sectionneur et interrupteur fusible...............................................................154 12.5. VARIATION DE VITESSE...................................................................................155 12.5.1. Le variateur de tension ................................................................................155 12.5.2. Variateurs à courant de Foucault ................................................................155 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 5 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.5.3. Groupe Ward Léonard.................................................................................156 12.5.4. Variation de fréquence ................................................................................157 12.6. COMPARAISON SUR L’UTILISATION DES DIFFÉRENTS MOTEURS ............159 12.7. MAINTENANCE ..................................................................................................160 12.7.1. Mesures d’isolement....................................................................................160 12.7.1.1. Moteur HT (haute tension 5,5 à 6kV) .....................................................160 12.7.1.2. Moteur BT (230 / 400V)..........................................................................160 12.7.1.3. Câble Basse tension ..............................................................................161 12.7.2. Travaux de maintenance ‘lourd’ ..................................................................162 12.7.2.1. Remplacement des roulements..............................................................162 12.7.2.2. Séchage, étuvage ..................................................................................162 12.7.3. Tableau de maintenance du moteur (Troubleshooting) ...............................163 13. EXERCICES ..............................................................................................................168 14. EXERCICES PRATIQUES ........................................................................................174 14.1. FABRIQUER SON PETIT MOTEUR ÉLECTRIQUE à courant continu...............174 15. GLOSSAIRE ..............................................................................................................179 16. SOMMAIRE DES FIGURES ......................................................................................180 17. SOMMAIRE DES TABLEAUX ...................................................................................184 18. CORRIGÉ DES EXERCICES ....................................................................................185 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 6 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre aux futurs opérateurs de comprendre les bases de la génération du courant électrique, de son exploitation avec les moteurs et ce principalement pour un site industriel à dominance pétrolière. En fin de cours, dans le domaine instrumentation et régulation, le participant devra être capable de : Définir le principe de génération du courant alternatif Définir le principe de génération du courant continu Énumérer les différents types de générateurs et / ou alternateurs Énumérer les différents types de moteurs électriques Statuer sur les différents composants d’un alternateur et d’un moteur Expliciter l’exploitation et la conduite des alternateurs Déterminer les facteurs de régulation pour un alternateur Coupler un alternateur sur un réseau Définir les principes et l’utilisation des protections électriques d’un alternateur Définir les principes et l’utilisation des protections électriques d’un moteur Connaître les bases de maintenance d’un alternateur de puissance d’un site Connaître la maintenance à effectuer sur les moteurs électriques d’un site Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 7 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 2. INTRODUCTION AUX MACHINES ÉLECTRIQUES 2.1. ALTERNATEURS ET MOTEURS 2.1.1. Différentiation Un alternateur est une machine tournante qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. L’alternateur s’appellera également générateur de courant électrique alternatif, le mot alternatif est donc à l’origine de son appellation « alternateur ». Figure 1 : Début du XXème siècle. Alternateurs dans une salle hydroélectrique en Hongrie Les génératrices de courant alternatif (alternateurs) produisent du courant monophasé ou triphasé principalement (le diphasé et l’héxaphasé ne seront pas évoqués ici) à la fréquence de 50 ou 60 Hz. La génération de courant de courant continu (en machine tournante) est effectuée par une dynamo, une commutatrice, une excitatrice. La production de courant continu est un élément indispensable au fonctionnement de l’alternateur qui a besoin d’une excitation (d’où le terme excitatrice) sous la forme d’induction magnétique pour produire du courant alternatif. Figure 2 : Exemple de moteur électrique Un moteur électrique est une machine tournante qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique. Figure 3 : Trois moteurs Siemens Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 8 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 2.1.2. Constitution Un alternateur tout comme un moteur est constitué de : Une partie TOURNANTE : le ROTOR Figure 4 : Rotor d’alternateur Une partie FIXE : le STATOR Figure 5 : Stators de moteur / alternateur Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 9 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Un alternateur doit tourner à rotation constante pour produire un courant à fréquence constante, il tourne à la vitesse de synchronisme. L’alternateur est ainsi également appelé : MACHINE SYNCHRONE. Une machine synchrone (l’alternateur) est également un moteur qui s’appelle dans ce cas « moteur synchrone ». Mais comme moteur et alternateur sont rigoureusement identiques, le terme « machine synchrone » est plus approprié. Bien entendu, l’alternateur accouplé à une turbine ne sera jamais utilisé en moteur, mais attention il peut devenir moteur et entraîner la turbine, d’où la nécessité des relais de protection. La machine synchrone a besoin d’une partie Auxiliaire : L’EXCITATION. L’excitatrice produit du courant continu générant à son tour une induction magnétique qui permet de réguler le courant (donc la puissance) généré par le stator pour l’alternateur, et de réguler à la vitesse de synchronisme pour le moteur synchrone. Le moteur « classique » est une MACHINE ASYNCHRONE. C’est-à-dire que le moteur ne tourne pas à la vitesse de synchronisme (celle de l’alternateur) mais à une vitesse moindre due à la puissance demandée sur l’arbre de transmission. La différence entre la vitesse de synchrone et la vitesse effective du moteur s’appelle le GLISSEMENT. Exemple : sur la plaque signalétique du moteur est indiqué, 20 kW – 1 475 tr / min. Pour une puissance demandée de 20 kW, le moteur tourne à 1 475 tours par minute, soit un glissement de 25 tours (la vitesse de synchronisme étant de 1 500 tr / min). Un alternateur a généralement sa partie induction incorporée au rotor et la partie production de courant alternatif dans le stator (mais ce peut être l’inverse). Un moteur a toujours sa partie réceptrice de courant alternatif dans le stator, le rotor recevant l’induction électromagnétique créant le mouvement de rotation. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 10 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 2.1.3. L’induction électromagnétique Rappel de physique : En 1820, le physicien Hans Christian Oersted découvre que l’aiguille d’une boussole magnétique dévie lorsqu’on la place à côté d’un fil parcouru par un courant. Il constate qu’elle s’oriente perpendiculairement au courant. Figure 6 : Boussole Et tout est parti de là ! En partant de ce principe, il est possible de recréer le champ magnétique fourni initialement par un aimant permanent, à l’aide de conducteurs alimentés en courant, Figure 7 : Recréation champ magnétique L’aimant permanent produit un courant, le courant à son tour produit un champ magnétique. Sens des flèches : empennage – vers l’intérieur de la feuille pointe – direction vers « soi » Un champ magnétique peut créer un courant et un courant électrique crée un champ magnétique et en « faisant tourner » champ et courant, on obtient le générateur électrique (ou alternateur, dynamo) et le moteur électrique. L’alternateur reçoit une énergie mécanique pour produire champ et courant, le moteur reçoit le courant, produit un champ magnétique qui est transformé en énergie mécanique. D’où les applications générateur / alternateur ainsi que moteur dans les chapitres ci-après. Voir l’induction électromagnétique dans le cours ‘électricité’ / Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 11 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 3. GÉNÉRATION DE COURANT ÉLECTRIQUE 3.1. GÉNÉRATION DE COURANT CONTINU Sur site, plusieurs sources de courant continu existent, les batteries, les cellules photovoltaïques, les redresseurs, les générateurs rotatifs. Sujet des paragraphes ci-après. 3.1.1. Les batteries Voir le cours « Batteries » Le terme « battery » dans les autres langues que le français englobe le mot ‘pile’ telle qu’utilisée dans nos ‘accessoires’ de tous les jours (poste de radio, téléphone portable, lampe de poche,…etc…) Figure 8 : Exemples de batteries Ces ‘piles’ sont aussi utilisées dans les armoires instrument, ordinateurs en tant que « back up ». Le terme ‘pile’ est mal interprété car nous employons les termes ‘piles rechargeables’ et ‘piles non rechargeables’. Une pile devrait (à priori) être uniquement non rechargeable et pour le rechargeable il faudrait employer le terme « accumulateur ». Le terme ‘accumulateur’ fait penser à la batterie (de voiture), ce qui est correct, le mot accumulateur s’applique à toute source d’énergie de courant continu sous forme statique qui peut être déchargée et rechargée. Figure 9 : Exemples d’accumulateurs Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 12 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La « batterie » (accumulateur) classique au plomb acide est utilisée sur site dans les véhicules (onshore…), pour démarrer les moteurs thermiques des pompes incendie, générateur de secours. Le jeu de batteries est quant à lui utilisé dans les ‘UPS’, où il est incorporé dans les armoires ou dans une salle batterie. Figure 10 : Exemples d’UPS Et si la batterie de l’EDG est à plat, si les batteries des UPS n’ont pas tenu la durée du shut-down, le redémarrage de l’alternateur principal ne sera pas évident. 3.1.2. Les Cellules photovoltaïques Ce sont les ‘panneaux solaires’ des plateformes alimentant les feux de signalisation, et / ou la télétransmission, les instruments… Les cellules photovoltaïques prennent leur énergie dans toute source lumineuse, dans la « lumière » en général, énergie solaire est un terme inapproprié, « énergie lumineuse » serait plus juste. Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant continu et la tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V. Figure 11 : Cellule photovoltaïque Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (CdS) ou de tellure de cadmium (CdTe). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 13 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Elles se présentent sous forme de deux fines plaques en étroit contact. Un autre nom est « photo-galvanique ». Figure 12 : Structure d’une cellule photovoltaïque Ce semi-conducteur est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques et le tout est protégé par une vitre. Les cellules photovoltaïques sont montées en série et en parallèle sur des panneaux. L’ensemble des cellules est associé à un jeu de batteries (avec régulateur). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 14 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 3.1.3. T.E.G. Thermo Électrique Générateur Figure 13 : ‘Batterie’ de TEG installé sur plateforme Total (Peciko) Figure 14 : Principe TEG Un ensemble TEG est composé de cellules dont la particularité est de produire une tension et un courant lorsque soumis à une certaine température. Sur plateforme, le gaz naturel est brûlé dans chaque TEG, la chaleur émise par la combustion est transformée en énergie électrique dans chaque cellule. Comme pour les cellules photovoltaïques, les cellules du TEG sont montées en série et en parallèle, elles sont associées à un jeu de batteries et à un régulateur de tension. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 15 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 3.1.4. Générateurs rotatifs 3.1.4.1. Conversion d’énergie Il faut plutôt dire : machine à courant continu car un générateur CC (ou une dynamo, excitatrice, commutatrice) est la même machine que le moteur à courant continu. Voyons donc les génératrices à courant continu et il n’y aura plus lieu de voir les moteurs….. Énergie électrique fournie = Moteur = Énergie mécanique utile Énergie mécanique fournie = Génératrice = Énergie électrique utile 3.1.4.2. Symbole Figure 15 : Symboles générateurs rotatifs 3.1.4.3. Constitution Figure 16 : Circuit magnétique d’une machine bipolaire Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 16 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La machine comprend : Un circuit magnétique comportant une partie fixe, le stator, une partie tournante, le rotor et l'entrefer l'espace entre les deux parties. Une source de champ magnétique nommée l'inducteur (monté sur le stator) est créée par un bobinage ou des aimants permanents. Les bobinages des inducteurs sont toujours alimentés par une source continue annexe que la machine soit un moteur ou une génératrice. Un circuit électrique induit (le rotor) subit les effets de ce champ magnétique : le collecteur et les balais permettent d'accéder au circuit électrique rotorique 3.1.4.4. Principe du générateur à CC Figure 17 : Simple générateur de courant continu Soit une spire tournant dans un champ magnétique (inducteurs). Le courant généré dans la spire est ‘collecté’ sur 2 secteurs d’une bague collectrice par des balais (en graphite) appartenant à la partie fixe (le stator) représentant les 2 lames de collecteurs (en cuivre, qui sont sur le rotor) qui «commutent » à chaque rotation. La fonction de commutation est essentielle. Chaque côté d’une spire qui tourne sur son axe passe devant un pôle nord, puis devant un pôle sud, et ainsi de suite. De ce fait, l’induction magnétique interceptée par la spire change de sens régulièrement, en fonction de la position angulaire du rotor. Pour éviter que le couple produit par la force électromagnétique ne s’inverse selon le même rythme, il faut régulièrement inverser le courant dans la spire, ce que réalise le collecteur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 17 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 18 : Pulsations de F.E.M. . (‘e’) produites par une génératrice CC Le couple produit par le passage du courant dans une spire serait approximativement sinusoïdal sans la présence du collecteur. Il prend l’allure d’une sinusoïde redressée grâce au collecteur. Ces pulsations sont cependant gênantes. Aussi les machines à courant continu sont équipées de plusieurs spires, chacune reliée à une paire de lames sur le collecteur. La figure ci-contre illustre l’effet de lissage du couple réalisé en passant de 1 à 2 spires au niveau du rotor, donc de 2 à 4 lames au niveau du collecteur. Figure 19 : Effet du lissage Sur ce montage avec champ magnétique du stator créé par électroaimant, il y a 6 spires (ou 6 bobinages) sur le rotor. Le courant et la tension générés sont en conséquence 6 fois plus lissés avec autant de paires de lames de collecteur (split-ring commutator) qu’il y a de spires. + + + + + + Figure 20 : Montage avec six spires Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 18 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Pour mieux lisser le couple électromagnétique, les machines à courant continu comportent un grand nombre de spires et de lames. e t Le courant et la tension se trouvent ainsi ‘lissés’. Seules les crêtes des ‘sinusoïdes’ sont commutées. Figure 21 : Machine a courant continue 3.1.4.5. Différents types de machines CC Question : pourquoi le terme « machine » a-t-il été employé dans le texte du paragraphe ci-dessus au lieu de « générateur ». ? Machine à aimants permanents : On trouve des génératrices de courant continu à aimants permanents (inducteur donc sans bobinage) comme excitatrice d’alternateur triphasé de petite puissance. Les autres machines : Il existe 3 types de machines correspondant au type du câblage entre rotor et stator. L’avantage général de la machine à CC est la flexibilité en fonction de la vitesse. Une génératrice CC pourra fournir la même tension dans une grande gamme de vitesse, il suffit de moduler le courant dans les « inducteurs » du stator. Un moteur CC possède une très grande plage de vitesse en variant le courant soit dans « l’induit », soit dans les inducteurs (ou l’armature), soit dans les deux. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 19 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques N N S S Machines « Shunt » : Le stator et le rotor sont câblés en parallèle. Le moteur shunt produit un couple constant quelle que soit sa vitesse. Figure 22 : Machine Shunt Figure 23 : Moteur Shunt Machines « Série» : Le stator et le rotor sont câblés en série. Le moteur série produit un couple important et particulièrement à faible vitesse. Figure 24 : Machine « Série » Figure 25 : Moteur série Machines « Compound » : Combinaison du Shunt et du Série, les inducteurs étant câblés une partie en série et une autre en parallèle avec l’induit. Avantages combinés pour le moteur qui est le plus employé des 3. Vous le trouverez entraînant les pompes huile et l’eau de refroidissement d’un générateur. Figure 26 : Machine “compound” Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 20 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 3.2. GÉNÉRATION DE COURANT ALTERNATIF 3.2.1. Principe du générateur à courant alternatif Figure 27 : Principe de la génération courant alternatif Si l’on fait pivoter une spire dans un champ magnétique, une tension induite apparaît au niveau de ses bornes. En effet, on fait ainsi varier l’angle α entre le plan de la spire et l’induction magnétique. Plus la rotation est rapide, moins il faut de temps pour faire passer le cos α de 1 à -1 et réciproquement. L’amplitude de la tension induite ainsi créée est proportionnelle à l’induction magnétique et à la vitesse de rotation de la spire. Figure 28 : Spire dans un champ magnétique C’est le principe de l’alternateur et pour comprendre la forme sinusoïdale, se référer aux schémas suivants. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 21 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 29 : Production d’un courant alternatif La bobine est en mouvement (en rotation) dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. De (a) à (b) de 90° De (b) à (c) de 90° De (c) à (d) de 90° De (d) à (a) de 90° Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 22 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Exercice : une spire tourne dans un champ magnétique (figure ci-dessus) et crée un courant dans une résistance. S’il y a courant, il y a voltage ‘e’ ou ‘fem’ (force électromotrice), comme représenté ci-dessous. Indiquer en face des lettres (a, b, c, d du schéma ci-dessus) le numéro correspondant de la courbe sinusoïdale (de 1 à 7) du schéma ci-dessous : (a) (b) (c) (d) En fait, c’est faire correspondre les 4 lettres (a à d) avec les 7 chiffres. Il peut y avoir plusieurs chiffres pour une lettre. Le chiffre est la valeur de ‘e’ (+maxi, 0, -maxi). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 23 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 3.2.2. Génératrice à aimant permanents C’est un générateur de courant alternatif, de forme sinusoïdale, avec un aimant (permanent) créant une ‘fem’ dans une bobine « périphérique ». On emploie ce générateur sur un vélo en utilisant le terme « dynamo de vélo », mais le mot « dynamo » doit s’appliquer en principe à un générateur de courant continu, c’est donc une erreur d’utiliser ce terme pour l’alternateur équipant un « vélo ». Mais puisque cette appellation a été vulgarisée pour équiper nos motocycles, spécifions simplement ‘dynamo de vélo’. V Axe Sin α V N α Cos α S V = e = emf = U Figure 30 : La dynamo de vélo La tension produite s’appelle indistinctement ‘e’ ou ‘U’, ‘V’, ‘v’ , ‘u’, ‘E’, etc… Des normes existent en ce domaine (quant au sigle de représentation) mais internationalement parlant, elles ne sont pas homogènes et bien souvent vilipendées Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 24 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Sur la figure ci-dessous, 2 bobines ont été représentées (en série) mais une seule peut très bien ‘faire l’affaire’. Figure 31 : Tension induite par un aimant tournant dans une bobine En faisant tourner l’aimant, la valeur ‘U’ à l’instant ‘t’ représente exactement la valeur du sinus de l’angle de positionnement (α) de l’aimant. Pour une rotation complète de 360 °, une sinusoïde s’est formée, c’est une « alternance ». U (à l’instant ‘t’) = U sin α Questions / Exercices : Avec la “dynamo de vélo” quand j’effectue une rotation de 1 tour durant 1 seconde je produis une tension induite à la fréquence de 1 hertz. 1) Combien de tours par seconde sont nécessaires pour obtenir 50 Hz ? 2) La vitesse des machines tournantes s’exprime en RPM (tours par minute, Revolutions Per Minute, en anglais, d’où l’acronym RPM), à quelle vitesse doit tourner la machine en rpm pour obtenir 50 Hz ? 3) À quelle vitesse doit tourner la machine en rpm pour obtenir 60 Hz ? 4) L’aimant central en rotation s’appelle-t-il « rotor » ou « stator » ? 5) Les bobines captant l’énergie induite (en périphérie) sont dans le « stator » ou dans le « rotor » ? Comme vous avez répondu aisément à ces questions, vous réalisez qu’il suffit d’un peu de logique (sans formules) pour comprendre la relation entre vitesse et fréquence, c’est la base du « synchronisme ». Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 25 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 3.2.3. Principe de l’alternateur de base La « dynamo de vélo » traitée au paragraphe ci-dessus est en fait un alternateur monophasé. L’aimant permanent tournant à 1 tour par seconde produit une tension (et un courant) induite à la fréquence de 1Hz aux bornes de l’alternateur. En faisant tourner l’aimant 50 tours par seconde, 50 Hz sont produits correspondant à une vitesse de synchronisme de 50 tr / sec soit 3 000 tr / min et ce pour un « aimant » composé d’une paire de pôles (un ‘Nord’ et un ‘Sud’). 3.2.3.1. Alternateur à 2 paires de pôles +V Sin α V S V N α N -V 1 Hertz S V = e = emf 1 tour Figure 32 : Alternateur à deux paires de pôles Soit le « même » alternateur que celui du paragraphe précédent dans lequel on ajoute un deuxième aimant permanent au rotor. Il y donc 2 paires de pôles. En faisant un tour complet, la bobine du stator se verra ‘gratifiée’ du nombre de passage des pôles et passera 2 fois par un maximum et un minimum. Un tour produit 2 Hz et pour obtenir 50 Hz il faudra 25 tr / sec, cette vitesse correspond à 1 500 tr / min qui est la vitesse de synchronisme (celle produisant 50 hz) pour un alternateur équipé de 2 paires de pôles. Question : Puisque vous avez compris et toujours sans formule cette relation fréquence / vitesse : à quelle vitesse (en tr / min) doit tourner un alternateur à 2 paires de pôles ‘North american’ pour produire 60 Hz ? Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 26 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 3.2.3.2. Alternateur à ‘x’ paires de pôles Questions : C’est tellement évident que vous n’aurez aucun mal à trouver vous-même les différentes ‘configurations’ fréquence / vitesse / paire de pôles pour tous les types d’alternateurs (note : c’est la même chose en mono et en triphasé). Quelle est la vitesse de synchronisme en tr / min pour : Un alternateur avec 1 paire de pôles 60 Hz ? Un alternateur avec 3 paires de pôles 50 Hz ? Un alternateur avec 3 paires de pôles 60 Hz ? Un alternateur avec 4 paires de pôles 50 Hz ? Un alternateur avec 4 paires de pôles 60 Hz ? Tous ces types d’alternateurs existent. Ce qui vient d’être vu ne constitue que le principe de base de l’alternateur, dans le chapitre suivant, nous verrons les « vrais » alternateurs, ceux qui produisent de la puissance électrique sur les sites. Il suffit de remplacer l’aimant permanent du rotor par des inducteurs bobinés et alimentés en courant continu annexe et de construire l’ensemble « un peu plus gros » que l’on dénomme la ‘machine synchrone’. 3.2.4. Rectifieurs / Onduleurs Ce sont d’une part les UPS, les chargeurs de batteries qui à partir du courant alternatif (généré par un alternateur) produisent du courant « redressé ». Ce n’est pas du courant continu pur, courant continue que seule une batterie peut fournir. +V t Figure 33 : Tension / courant redressé simple et signal lissé (redresseur ou dynamo) Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 27 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques L’alternateur de puissance ou la « machine synchrone » a besoin de courant redressé à l’intérieur du rotor pour produire l’induction électromagnétique, généralement sous forme de courant redressé simple. L’alternateur utilise généralement une excitatrice (en bout d’arbre) pour produire l’énergie nécessaire au champ magnétique. Si cette excitatrice est une machine à courant continu, l’induit (le rotor) est directement alimenté (avec jeu de bagues / balais). Dorénavant les excitatrices sont des (petits) alternateurs produisant du courant alternatif redressé, ensemble excitatrice / pont redresseur monté sur l’arbre principal. Nous reverrons la technologie plus en détail dans la suite du cours. Utilisation redressée Alimentation C.A. triphasée Utilisation redressée vers rotor Alimentation C.A. mono Figure 34 : Pont redresseur mono et Pont de Graetz en triphasé Les « inducteurs » du rotor n’ont pas besoin de courant redressé ‘lissé’, la valeur moyenne d’un courant redressé simple est suffisante. (Faites vous expliquer ceci par votre instructeur si vous ne « voyez pas » Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 28 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4. LA MACHINE SYNCHRONE – L’ALTERNATEUR Cette machine est à la fois l’alternateur industriel de nos sites et le moteur synchrone qui lui ne se trouve guère sur « nos » sites. La machine synchrone, appelée ALTERNATEUR si elle fonctionne en génératrice, fournit un courant alternatif. En fonctionnement MOTEUR sa vitesse de rotation est imposée par la fréquence du courant alternatif qui alimente les enroulements du stator. 4.1. PRINCIPE ET FONCTION DES ALTERNATEURS DE PUISSANCE Une génératrice synchrone transforme de l'énergie mécanique (T, Ώ) en énergie électrique (V, I de fréquence f). Introduction / rappels L’alternateur est la clé énergétique d’une installation, d’un site. Le générateur CA convertit l’énergie mécanique produite par la turbine (ou le moteur thermique) en énergie électrique au moyen de l’induction électromagnétique. Deux types d’enroulements « armature » et « champ » sont nécessaires pour arriver à ce résultat. Le courant ‘principal’ ou courant d’utilisation est issu de l’armature (généralement le stator). Un courant continu (ou courant redressé) est injecté dans les enroulements de champ afin de créer un champ magnétique de direction (ou polarité) fixe. Figure 35 : Enroulements de l’alternateur Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 29 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Afin de produire une tension, il faut un mouvement relatif entre les enroulements de l’armature et ceux de champ. ‘Mouvement relatif’ signifie déplacement du champ magnétique à travers les conducteurs de l’armature ou déplacement des conducteurs à travers le champ magnétique. Pour produire ce ’mouvement relatif’, il y a le ‘stator ‘ et le ‘rotor’. Ce dernier, tourne dans les enroulements du stator créant ainsi une tension induite. Suivant les normes et les pays, la relation fréquence et tension est pour les alternateurs standard : Fréquence Tension 60 Hz 50 Hz 480 380 / 400 600 440 2 400 3 300 4 160 5 500 / 6 000 13 800 11 000 Table 1 : Relation fréquence et tension Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 30 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.2. LES PRINCIPAUX COMPOSANTS L’alternateur possède six composants majeurs : le stator, le rotor, les paliers / roulements, la résistance de chauffage, la détection de température et la carcasse. Voyons en détail chacun de ces composants. 4.2.1. Le stator Le stator est constitué de lames d’acier à très haute teneur en silicium, minutieusement perforées et isolées séparément. Les enroulements basse tension sont bobinés de façon anarchique dans des encoches semi-fermées en ligne. Les enroulements haute tension sont bobinés préformés dans des encoches en ligne. Les armatures bobinées sont imprégnées de plusieurs couches de vernis synthétique thermodurcissable et étuvées de façon à présenter une résistance maximale à l’humidité, une rigidité diélectrique élevée et de hautes qualités de liaison électrique. Les enroulements sont entrelacés afin de résister aux à-coups inhérents au démarrage d’un moteur ou à des courts-circuits. Des résistances de chauffage permettent de réduire la condensation au minimum pendant des arrêts prolongés. Figure 36 : Ensemble stator Une résistance de chauffage placée à l’intérieur du générateur prévient la formation de condensat dans les enroulements du générateur à la suite d’un arrêt du système. La résistance de chauffage se met automatiquement en ou hors tension via le circuit de commande de la turbine lors des séquences de démarrage et d’arrêt sauf si le sélecteur des circuits se trouve sur la position « off ». Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 31 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La seule action nécessaire de la part de l’opérateur est la vérification du fonctionnement de la résistance en cas d’arrêt du générateur. Des capteurs RTD (détecteurs de température à résistance) proposés en option peuvent être installés pour la surveillance des températures des enroulements du générateur. 4.2.2. Le rotor Un arbre à forte teneur en acier constitué de quatre pièces de métal se prolongeant à l’extérieur est situé au centre de l’ensemble rotor, deux jeux de lames du ventilateur de refroidissement et un induit d’excitatrice sans balais sont installés sur l’extrémité avant. Les quatre « pôles » métal permettent la création des pôles magnétiques. Les bobines de fil sont enroulées autour de chaque pôle de métal de façon à former un champ magnétique de pôle opposé à celui placé à côté (voir figure ci-dessous). Les quatre pôles de métal du rotor forment le second type d’enroulement, l’enroulement de champ. Lorsqu’un générateur fonctionne, un courant CC passe dans chaque enroulement de pôle de façon à former en alternance des pôles nord et des poles sud, ce qui constitue le champ magnétique tournant. Figure 37 : Ensemble rotor Si une charge est reliée au générateur, un courant circule dans le circuit. Ce courant passant dans les enroulements d’induit, il engendre une chaleur qui doit être dissipée afin d’éviter tout endommagement. Sur certains générateurs, l’air est aspiré à partir des deux extrémités par les lames du ventilateur du rotor et dirigé ensuite autour des enroulements du rotor et du stator afin de supprimer le battement. L’air de refroidissement s’évacue généralement par la partie supérieure du générateur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 32 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.2.3. Excitatrice Un second générateur plus petit est installé à l’intérieur du générateur principal. Ce générateur plus petit est monté sur l’extrémité avant de l’arbre de rotor, il est désigné comme l’induit de l’excitatrice sans balais. Au sein de cette excitatrice, l’induit tourne à l’intérieur des enroulements de champ constant installés sur la carcasse. L’excitatrice sans balais produit une tension alternative triphasée utilisée dans les quatre pôles magnétiques du rotor. Pour être utilisable, cette tension alternative doit être redressée en tension continue via les six diodes placées sur l’extrémité avant de l’arbre de rotor. Les six diodes assurent un redressement à onde entière triphasé produisant un courant continu pulsatoire très lisse, celui-ci est directement alimenté vers les principaux enroulements de champ sur les pôles saillants. L’excitatrice sans balais permet de supprimer le commutateur, les bagues collectrices, les balais et les porte-balai, le générateur est ainsi une machine à faible entretien. L’excitatrice consiste en un générateur à courant alternatif de type induit tournant triphasé et d’un redresseur pleine onde triphasé. L’excitation est possible lorsque le générateur subit un courant nominal de 150 pour cent pendant une minute. L’ensemble induit tournant et redresseur tournant est installé sur l’arbre de rotor du générateur, ils sont reliés entre eux électriquement ainsi qu’avec les enroulements du générateur. Le stator destiné à l’excitatrice est composé d’un feuilletage bobiné installé dans une bague à bride intégrée au support de palier avant du générateur. L’excitatrice est entièrement étanche et protégée par un couvercle amovible. Figure 38 : Ensemble des principales pièces stator / rotor / excitatrice Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 33 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.2.4. Les paliers Les paliers dans un générateur classique de gamme moyenne correspondent soient à des paliers de type anti-frottement autolubrifiés ou des paliers de type à coussinet-douille. Dans les paliers de type à coussinet-douille, l’air de refroidissement du générateur refroidit de façon efficace l’huile circulant dans les paliers et les réservoirs d’huile. Un voyant placé sous les paliers permet le contrôle du niveau d’huile dans le réservoir. 4.2.5. Détecteurs de température à résistance Les détecteurs de température à résistance (RTD) contrôlent la température des enroulements et des paliers du générateur. Les RTD sont connectés à des capteurs à distance comportant des points de consigne d’avertissement et d’arrêt afin de protéger les composants contre toute surchauffe. Les RTD possèdent un coefficient positif de résistivité. Ceci signifie que la résistance de l’élément augmente parallèlement à l’augmentation de température appliquée sur le détecteur. Six détecteurs, deux par phase, sont installés dans les encoches du stator entre les bobines de stator en haut et en bas. Un RTD est également placé sur chacun des deux paliers dans le générateur. Un signal est transmis au dispositif de capteurs à distance qui surveille la température du stator et des paliers. Le dispositif de surveillance de température des enroulements et / ou des paliers est muni de points de consigne d’avertissement et d’arrêt se déclenchant si le problème de température persiste. 4.2.6. Résistance de chauffage Une résistance de chauffage installée à l’intérieur du générateur afin de prévenir la formation de condensat dans les enroulements du générateur à la suite d’un arrêt. La résistance de chauffage se met automatiquement en ou hors tension via le système de commande de la turbine lors des séquences de démarrage et d’arrêt sauf si le sélecteur des systèmes se trouve sur la position « off ». La seule action nécessaire de la part de l’opérateur est la vérification du fonctionnement de la résistance en cas d’arrêt du générateur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 34 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.2.7. Carcasse La carcasse du générateur porte les composants tournants et fixes et sert d’enveloppe de protection pour les composants internes. Le générateur possède un débit de gaz-fuel de 2 800 kW (de combustible liquide de 2 755 kW). La plaque signalétique du générateur comporte de nombreuses informations utiles dont le nombre de tr / min, l’intensité, le regime d’isolation, le facteur de puissance, la tension, les KVA et des informations de maintenance. L’opérateur doit savoir localiser la plaque signalétique du générateur et être familiarisé aux informations qu’elle contient. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 35 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.3. CONSTITUTION D’UN ALTERNATEUR 4.3.1. Le générateur synchrone monophasé (Comparé au triphasé). La loi d’induction de Faraday précise qu’un conducteur qui tourne dans un champ magnétique induira une force électromotrice (emf). Dans un générateur, le champ magnétique est créé par les électroaimants ; en d’autres termes les pôles du générateur. Une excitatrice (générateur) est utilisée obtenir ce courant d’excitation directe. L’excitatrice installée sur le générateur à courant alternatif sera de type à pôle interne. La partie fixe contenant un enroulement monophasé est placée à l’extérieur. La partie mobile utilisée pour générer le champ magnétique est placée à l’intérieur (voir la fig. ci-dessous). Le principal avantage du type à pôle interne est que le courant alternatif provenant du stator peut être alimenté dans des connexions fixes. Figure 39 : Principe de construction du pôle interne d’un alternateur monophasé La F.E.M.. induite dans l’enroulement du stator sera de forme sinusoïdale par rapport au temps. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 36 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Le courant continu est alimenté vers le rotor par des balais à charbons et deux bagues collectrices. La relation entre la vitesse (n), la fréquence (f) et la paire de pôles (p) : f = 60 xf nxp or n = 60 p n = rpm Le temps est désormais venu de s’intéresser à un minimum de formules même si elles ne vous semblent pas utiles. Vous connaissez déjà la relation entre la fréquence, la vitesse et une paire de pôles étudiés dans le chapitre précédent. 4.3.2. Le générateur synchrone triphasé Dans une machine à courant triphasé ou alternatif, le stator possède trois enroulements au lieu d’un seul dans une machine monophasée. Ces enroulements sont placés et orientés à 120° l’un de l’autre. Figure 40 : Générateur avec enroulements à trois stators : U-X, V-Y et W-Z. Le rotor excité par un courant continu possède un pôle nord et un pôle sud. Le rotor possède donc une paire de pôles ; p = 1. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 37 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Le principal champ tournant (variant) génère ou induit une tension dans les enroulements à trois stators. Les trois F.E.M. possèdent la même fréquence et sont déphasées l’une de l’autre de 120°. En effectuant un tour du rotor (R= 1) en un temps « t » secondes, les bobines du stator couvrent le champ rotationnel maximum à intervalles de 1 / 3 x t secondes l’un de l’autre. En un temps ‘t’ secondes, le champ tourne 3 000 fois (pour 50 Hz et une paire de pôles), ce qui signifie que chaque F.E.M. de stator atteint sa valeur maximum de 120° en rotation ou de 1 / 3 T = 6.66 millisecondes en temps pour chaque tour. Figure 41 : Force électromotrice pour chaque enroulement de stator Question : Réécrire la phrase en italique ci-dessus pour une fréquence de 60 Hz. Même consigne pour 2 paires de pôles et 50 Hz ! Pas de problème, vous en êtes capable, « par la logique » sans formules. 4.3.3. Générateur à courant alternatif en général La figure ci-dessous représente la vue écorchée d’un générateur à courant alternatif classique appartenant à la gamme des 15 mégawatts (20 000 hp). Le générateur en soit protégé d’un coffre ou d’un « capot » ; celui-ci permet la réduction du niveau sonore et l’intégration étanche du système de ventilation. Cela facilite également la purge de gaz avant le démarrage le cas échéant. Les pièces rotatives sont colorées en jaune et le stator apparaît en bleu. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 38 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Les enroulements d’induit (normalement le stator) transportent un courant débité qui varie avec la charge. Ces enroulements possèdent une résistance et génèrent une chaleur proportionnelle au carré du courant (W = I² R). L’enroulement d’excitation du champ (normalement sur le rotor) transporte également un courant. Il possède également une résistance et génère une chaleur I² R. Figure 42 : Vue écorchée d’un générateur CA classique – appareil moteur (turbine, moteur) non representé Ces deux sources thermiques ainsi que la perte de chaleur due au fer se combinent pour accroître la température de la machine. Toute la chaleur doit être évacuée via le circuit de refroidissement s’il est nécessaire de maintenir l’élévation de température sous le seuil prévu. Le générateur est refroidi par un ventilateur entraîné par un arbre permettant la circulation de l’air dans un circuit d’air fermé à travers tous les enroulements. L’air, en circulant, traverse l’échangeur thermique air / eau. Le stator (l’armature) contient un enroulement triphasé composé de conducteurs isolés insérés dans les encoches situées autour de la face intérieure. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 39 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Ces conducteurs doivent être isolés à concurrence de la tension de service maximale du système. Tout excès important ou persistant de la température de l’enroulement entraînera la détérioration et même la destruction complète de l’isolation en question à l’origine d’une explosion interne. Les enroulements du rotor établissant le champ fonctionnent à une tension bien inférieure de l’ordre de 70 ou 120 VCC (plage de base), l’isolation est donc largement facilitée. Remarque : il existe une « excitatrice principale » et une « excitatrice pilote ». Elle seront étudiées dans le chapitre suivant Régulation de l’excitation et de la tension. 4.3.4. Constitution du rotor Les générateurs à courant alternatif et à champs tournants possèdent des rotors pouvant être classés en deux catégories : ceux à pôles saillants et ceux à pôles cylindriques. Ils sont illustrés sur la figure ci-dessous. Figure 43 : Types de rotor équipant les générateurs à courant alternatif Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 40 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Les pôles saillants sont de loin ceux les plus utilisés sur les générateurs offshore ainsi que sur ceux de taille réduite onshore. Le rotor à pôles saillants est généralement utilisé sur les générateurs à 4 pôles. Pour les générateurs à six pôles ou plus, seul ce type convient. Le rotor cylindrique (parfois appelé « type turbo ») est comme son nom l’indique de forme entièrement cylindrique et ne possède aucune saillie. Les enroulements de champ sont encastrés et enfoncés dans des encoches situées à la surface du rotor telles les encoches d’un stator. Les encoches du rotor ne recouvrent qu’une partie de la surface et sont disposées de chaque côté des pôles, l’enroulement de champ complet forme une spirale autour de chaque centre de pôles. Les rotors cylindriques sont très performants sur le plan mécanique et privilégiés pour les grands générateurs à grande vitesse (3 000 ou 3 600 tr / min) sur lesquels les forces centrifuges d’un rotor à pôles saillants seraient à l’origine de sévères problèmes. En résumé les rotors cylindriques sont donc fréquemment employés sur les générateurs à deux pôles et sont parfois utilisés sur ceux à 4 pôles. Ils ne sont jamais utilisés sur ceux à six pôles ou plus, sur lesquels la construction du rotor présenterait trop de difficultés. Question : Concernant l’image du rotor ci-dessus : Combien de paires de pôles sont nécessaires pour le type « saillant » ? Combien de paires de pôles sont nécessaires pour le type « cylindrique » ? Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 41 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.3.5. Isolation Les enroulements de générateur sont isolés par rapport aux tensions maximales auxquelles ils peuvent être soumis et l’isolation doit pouvoir supporter une certaine température spécifique maximale sans détérioration. Les matériaux isolants sont nombreux : la classification se décline comme suit (selon la Norme BS2757) : Classe Matériaux isolants classiques Température limite Y Coton, soie, papier, etc. ,non imprégnés 90° C A Coton, soie, etc., papier, émail imprégnés 105° C E Papier stratifié, époxydes 120° C B Fibre de verre, mica 130° C F Fibre de verre, époxyde imprégnés 155° C H Fibre de verre, silicium imprégnés 180° C C Mica, céramique, verre avec collage inorganique > 180° C Table 2 : Matériaux isolants Notons que les lettres de classification ne sont pas indiquées par ordre alphabétique. Cela est dû au fait qu’à l’origine, seules les trois classes - ‘A’, ‘B’et ‘C’ existaient. La plupart des générateurs rencontrés sur les plateformes et sur les installations onshore appartiennent à la classe ‘B’ ou ‘F’. La sélection ne s’établit pas seulement sur l’élévation de température ; si par exemple, la température ambiante est de 40° C, un matériau de classe ‘B’ peut être utilisé si l’élévation de température preuve n’excède pas 90° C, ce qui établit la température limite maximale à 130° C. 4.3.6. Refroidissement Les générateurs utilisés sur les plateformes et sur les installations onshore sont généralement refroidis par air. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 42 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques L’air circule derrière les enroulements de stator et de rotor via un ventilateur installé sur l’arbre du générateur. L’air réchauffé peut être évacué dans l’atmosphère et ainsi non réutilisé (‘Air circulant’ ou ‘AC’) ; ou peut être refroidi par eau dans un refroidisseur séparé par une circulation d’eau forcée (‘Air circulant, Eau forcée’ ou ‘ACEF’ ) ; ou encore dans un refroidisseur de type radiateur (‘Air circulant, Eau naturelle’ ou ‘ACEN’). Un nouveau système de codage international des différentes méthodes de refroidissement a été établi pour toutes les machines rotatives (BS 4999, Part 21). Premier chiffre Second chiffre 0 Circulation libre 0 Convection libre 1 Canalisation d’entrée d’air ventilée 1 Auto-circulation 2 Canalisation de sortie d’air ventilée 2 Composant complet monté sur un arbre distinct 3 Canalisations d’entrée et de sortie d’air ventilées 3 Composant dépendant monté sur la machine 4 Surface de bâti refroidie 5 Échangeur thermique complet (utilisant des supports environnants) 5 Composant indépendant complet 6 Échangeur thermique monté sur machine (utilisant des supports environnants) 6 Composant indépendant monté sur la machine 7 Échangeur thermique complet (n’utilisant pas de supports environnants) 7 Dispositif ou pression du système de refroidissement indépendant et séparé 8 Échangeur thermique monté sur machine (n’utilisant pas de supports environnants) 8 Déplacement relatif 9 Échangeur thermique monté séparément Table 3 : Système de codage des méthodes de refroidissement Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 43 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques S’il s’avère nécessaire de spécifier la nature d’un réfrigérant, le code lettre suivant est utilisé parallèlement au code de refroidissement : Gaz : Liquides : Air Hydrogène Azote Dioxide de carbone Hélium Eau Huile A H N C L W U 4.3.7. Résistance de mise à la terre du point neutre Les points étoiles de tous les générateurs haute tension installés sur les plateformes sont mis à la terre via une ‘résistance de mise à la terre du point neutre’ (NER) limitant le courant. Cette résistance permet de limiter le courant de fuite circulant dans le générateur si un défaut de mise à la terre se produit en un point du circuit. Un courant nominal maximum en un temps maximum est ainsi attribué aux résistances de mise à la terre du point neutre – par exemple '200 A pour 30 s’. (en haute tension). L’unité à NER est également parfois équipée d’un transformateur de courant permettant la mesure des courants de fuite telluriques et le déclenchement du dispositif de protection. Voir le cours « électricité » pour la gestion du circuit neutre. 4.3.8. Paliers isolés Les paliers d’une grande machine sont souvent isolés afin d’éviter la circulation d’un courant vagabond (courants de Foucault) au sein de ces paliers. Figure 44 : Isolation de paliers Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 44 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Ces courants peuvent accroître la F.E.M. générée dans l’arbre du rotor en raison de la création de champs magnétiques vagabonds. Dans des conditions dafavorables, ces champs vagabonds peuvent être présent en grande quantité. La figure ci-dessous indique comment ces courants peuvent circuler dans les paliers. Si l’on permet la circulation de ces courants, ils formeront un arc à travers la surface du palier et provoqueront de petits cratères qui détruiront rapidement le palier, telle une corrosion. (La corrosion est le résultat d’un courant électrique naturel entre 2 pièces métalliques en contact dans l’électrolyte – comme dans une batterie). Pour des raisons de sécurité, l’arbre doit être placé au potentiel de la terre. L’isolation du socle est réalisée au moyen d’une cale en matériau isolant placée entre la base du socle et son rebord. 4.4. EXCITATION D’UN GÉNÉRATEUR Ou les différentes manières de produire du courant continu induisant un champ magnétique dans le rotor. 4.4.1. Excitation classique Figure 45 : Excitation classique Schéma type d’une méthode ‘classique’ dans laquelle une excitatrice CC entraînée (ici par courroie) véhicule son CC de sortie via des bagues collectrices vers le champ principal du générateur. Le courant de champ destiné à l’excitatrice (le générateur CC) est fourni par un pont redresseur lui-même piloté par un variateur de tension (VT) du générateur principal. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 45 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Remarque : au démarrage de cette unité, il n’existe aucune tension, aucune puissance provenant de la distribution triphasée dans laquelle l’AVR tire son « énergie ». L’excitatrice CC nécessite un courant dans son enroulement de champ (stator) afin de fournir à son tour le courant dans l’enroulement de champ principal (rotor) et de produire une puissance… L’excitatrice fait appel au démarrage au « champ magnétique rémanent » de son propre bâti en fer (tel un petit aimant permanent) capable de fournir au moins un petit courant au niveau de sa sortie, courant suffisant pour obtenir une tension de sortie du générateur principal et l’AVR peut alors disposer d’un courant « contribuant » au champ rémanent. Et la boucle continue, augmente jusqu’à l’atteinte des valeurs de régulation. 4.4.2. Excitation statique Figure 46 : Excitation statique L’excitatrice CC rotative est remplacée par une excitatrice statique électronique. Remarque : au démarrage comme pour l’excitation classique, il n’existe pas de puissance en sortie du générateur, pas de courant CC transmis aux enroulements du rotor. Deux solutions : pour les petits générateurs, ce système fait également appel au magnétisme du champ rémanent du rotor, en produisant progressivement la tension jusqu’en sortie du générateur. En pratique, (seconde solution), le pont redresseur est fourni par une source classique triphasée et non directement au départ du propre générateur en question. Ceci est réservé à une distribution ‘importante’ dans laquelle plusieurs générateurs sont mis en parallèle. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 46 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.4.3. Excitation sans balais (cas général) Figure 47 : Excitation sans balais – cas général Le schéma ci-dessus présente un développement plus récent. Ici, l’excitatrice rotative entraînée par un arbre a été rétablie mais désormais sous forme d’un générateur à courant alternatif de type à champ fixe monté sur l’arbre principal lui-même. Sa production de courant alternatif est dirigée via des connexions à l’intérieur de l’arbre, à travers un pont à diode qui accompagne l’arbre dans sa rotation par rapport au champ tournant principal du générateur. Le champ est ensuite excité par un CC sans nécessiter de balais ni de bagues collectrices. Il est à noter que cette excitatrice ne peut pas être entraînée par courroie ; elle doit faire partie intégrante de l’arbre principal. Le principal avantage d’une excitation sans balais par rapport aux deux autres types précédemment abordés est que l’absence de l’ensemble balais et bagues collectrices facilite de manière importante la maintenance. Dans des conditions de court-circuit ou de « grosse » demande de charge imprévue (sur une distribution principale triphasée), la tension de sortie du générateur chutera sévèrement – elle peut même disparaître. Pour la maîtriser, on utilise une méthode résultant de l’amélioration de l’une de celles suscitées qui fait appel aux courants de court-circuit eux-mêmes pour fournir l’excitation manquante, ceci fait l’objet du prochain paragraphe. 4.4.4. Excitation sans balais (sans excitatrice pilote) Trois transformateurs de courant à grande puissance sont disposés sur les lignes de sortie du générateur comme illustré sur la Figure ci-dessous. Dans des conditions de court-circuit, lorsque la tension de sortie du générateur est très faible, le transformateur de courant en court circuit rétablit les conditions du court-circuit – Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 47 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques exigence nécessaire lors d’un fonctionnement en réseau afin d’assurer la fiabilité opérationnelle du dispositif de protection. Figure 48 : Excitation sans balais sans excitatrice pilote 4.4.5. Excitation sans balais (avec excitatrice pilote) Figure 49 : Excitation sans balais avec excitatrice pilote Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 48 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Pour les grands générateurs sans balais, cette autre méthode est utilisée. Au lieu de soutirer la puissance d’excitation en sortie du générateur, l’AVR est simplement équipé d’une connexion sensible aux chutes de tension. Comme dans le cas classique, l’excitation du générateur est ici indépendante de la tension de sortie du générateur et est également maintenue égale dans des conditions de courtcircuit sans avoir recours à un transformateur de courant en court-circuit. Cette version est la plus répandue pour l’ensemble des principaux générateurs rencontrés sur les plateformes. 4.4.6. Pont de diodes La Figure ci-dessous représente les diodes telles qu’elles sont disposées à l’intérieur de l’arbre entre l’excitatrice et le générateur principal. La sortie de l’excitatrice est triphasée et les diodes correspondent en fait à un pont triphasé à onde entière nécessitant six diodes. Elles ne peuvent évidemment pas être noyées au milieu de l’arbre et dans la pratique elles sont montées sur une plaque tournante sur l’extrémité extérieure de l’arbre au niveau de l’extrémité de l’excitatrice (comme illustré en vert sur la Figure). Figure 50 : Pont de diodes d’un générateur à courant alternatif Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 49 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Cela les rend facilement accessibles pour les besoins d’inspection, d’essais ou de remplacement. Note sur l’utilisation des diodes : Si l’une des six diodes est défectueuse à la suite d’un circuit ouvert ou d’un court-circuit, d’un flux de courants harmoniques dans le circuit principal du champ, ces harmoniques seront renvoyés dans le circuit du champ de l’excitatrice principale et seront détectés par un relais de ‘diode défectueuse’ réglé pour répondre à la principale fréquence des harmoniques ; le signal d’alarme (ou de déclenchement) depuis ce relai possède une temporisation de 10 ou de 15 secondes afin d’éviter tout fonctionnement intempestif. Attention : (lors des opérations de maintenance) Lors d’essais sur un inducteur de générateur à l’aide d’un mégohmmètre (excitatrice + enroulement principal du champ), toutes les diodes doivent préalablement être déconnectées ou court-circuitées afin d’éviter toute application de la tension du mégohmmètre (500 V) sur les diodes qui les endommagerait. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 50 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 4.4.7. Les différentes pièces d’un alternateur Figure 51 : Générateur sans balais - exercice Exercice : Nommer les différentes pièces de cette machine, même celles non demandées ou n’ayant pas encore fait l’objet de notre étude… Ensuite seulement, passer à la page suivante… Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 51 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 52 : Générateur sans balais – solution de l’exercice Simple recommandation : Supposons que vous soyez chargé d’assembler un générateur (français, LeroySomer, 50 Hz 1 500 tr / min) avec un moteur diesel (américain, Caterpillar réglé pour 60 Hz à 1 800 tr / min). Lors de la réalisation des essais de fonctionnement, notamment de l’essai de survitesse (réglé à 2 100 tr / min sur un moteur pour 60 Hz), ne soyez pas surpris de voir le rotor du générateur « perdre » ses pièces d’enroulement…….. (la survitesse d’un générateur étant de 1 750 tr / min). Si cela se produit, mauvaise journée, la survitesse du moteur était réglée à plus de 2 100 tr / min et le générateur avait déjà tourné pendant des heures (à 1 800 tr / min) pour un essai de charge, veuillez ne pas blamer le constructeur du générateur…. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 52 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 5. CONNEXIONS ET PROTECTIONS D’UN GÉNÉRATEUR 5.1. CONNEXIONS D’UN GÉNÉRATEUR Les générateurs à courant alternatif sont en règle générale construits de façon à disposer de deux types de connextions en sortie, étoile ou delta. (Y ou ∆). Les fils de sortie sont appelés des électrodes. Celles-ci peuvent être au nombre de 6 ou de 12. Elles sont connectées à l’enroulement triphasé dans l’induit et extraites ensuite pour être connectées de l’extérieur à l’appareillage de connexion. C’est la façon par laquelle elles sont connectées de l’extérieur qui détermine si un système est un système delta ou étoile. Chaque jeu de bobines dans l’induit est bobiné à l‘aide d’un nombre prévu de fils dans chaque bobine. Chaque bobine possède un fil de départ et un fil d’arrivée et pour constituer un jeu de bobines, les bobines sont simplement reliées entre elles à l’aide de l’extrémité du fil de départ et de l’extrémité du fil d’arrivée. Un jeu de bobines est placé dans le stator afin de constituer une phase. 5.1.1. Le système Delta Dans le système delta, les phases sont diposées en triangle. Important : se souvenir que pour connecter un enroulement en vue d’une sortie delta, il est nécessaire de connecter le départ d’un jeu de bobines avec l’arrivée d’un autre jeu et ceci doit être réalisé pour tous les fils de départ et tous les fils d’arrivée, T1 avec T6, T2 avec T4, T3 avec T5. T1 T5 T6 T1 2’ 1 3’ 3 T3 2’ 3’ 3 T3 1’ 1’ 2 T6 1 2 T4 T4 T5 T2 T2 Figure 53 : Système Delta Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 53 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Dans un système delta, la tension de ligne est égale à celle de phase.... Ligne E = Phase E ...de même le courant de ligne est égal à celui de phase multiplié par la racine carrée de 3. Ligne I = Phase I x 3 Figure 54 : Courant et tension dans un système Delta 5.1.2. Générateur connectlé en delta L’illustration suivante est un exemple d’un système delta. Il s’agit d’un générateur trifilaire connecté en delta. Noter que les fils sortent du générateur au niveau de T1, T2 et T3. Une mesure sur ces fils est effectuée par des transformateurs de potentiel et de courant. Pour une connexion en delta, les fils de départ et d’arrivée sont connectés en triangle. T1 avec T6, T2 avec T4 et T3 avec T5. T1, T2 et T3 sont reliés au système sous forme d’électrodes de ligne comme étudié au paragraphe précédent. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 54 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 55 : Connexions types en delta, générateur trifilaire Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 55 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 5.1.3. Le système en étoile Les sytèmes connectés en étoile peuvent posséder trois ou quatre fils suivant les besoins de l’installation. Dans un générateur connecté en étoile, les jeux de bobines sont reliés en Y. Pour une connexion en étoile, les trois fils d’arrivée sont connectés avec les circuits extérieurs de charge tandis que les fils de départ sont connectés en un seul et même point de raccordement. T1, T2 et T3 sont des électrodes de ligne reliées au réseau de distribution tandis que T4, T5 et T6 sont raccordées ensemble en vue d’une connexion courante ou neutre. Le neutre peut être ou ne pas être mis à la masse et le système peut être opérationnel sous forme de système à trois ou à quatre fils. T1 T1 T5 1 1’ T4 T6 2’ 2’ 2 T5 T2 3’ 3 T3 1’ 3’ T6 1 2 3 T3 T4 T2 Figure 56 : Schéma de connexion et disposition des enroulements pour une connexion en étoile Dans un système en étoile, la relation de courant de ligne et de celui de phase est telle qu’ils sont égaux... Ligne I = Phase I ... et la tension de ligne est égale à la tension de phase multipliée par la racine carrée de 3. Ligne E = Phase E x 3 Prenons un exemple pour illustrer l’avantage de ce système. Soit une tension composée de 400 volts, la tension de phase doit donc correspondre à 400 volts divisés par la racine carrée de 3. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 56 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques E phase = E line 3 La racine carrée de 3 étant 1,732 , nous obtenons donc dans notre exemple 440 / 1,732 = 230 volts. De nombreux réseau de distribution d’énergie utilisent 220 / 230 volts pour l’alimentation de l’éclairage et celle portative. Certaines tensions composées produites à 50 cycles par seconde correspondent à : 380 - 415 - 3000 - 3300 - 5500 - 6000 - 6300 - 6700 – 11000. La tension de phase pour n’importe quelle des tensions susmentionnées correspondrait à cette tension divisée par 3 . Par précaution, relever les lectures de tension au niveau de la tension induite des transformateurs abaisseurs plutôt qu’au niveau des bornes de tension primaire situées dans le boîtier de connexion du générateur placé au-dessus du générateur ou sur un autre emplacement. La plaque signalétique d’un générateur indique le nombre de phases, en règle générale il s’agit de trois phases et les tensions composées ainsi que d’autres informations importantes. 5.1.4. Générateur connecté en étoile Cette illustration présente un générateur au sein d’une installation, qui est connecté sous forme de système classique en étoile à quatre fils. Sur le dessin en étoile, les fils sortant des générateurs sont N, T1, T2 et T3. Ces fils passent également par les transformateurs de potentiel et ceux de courant pour les besoins de mesure. Dans le système étoile, les connexions doivent être T1, T2 et T3 connectés à la charge et T4, T5 et T6 connectés ensemble en un point commun ou au neutre. Ainsi vous pouvez voir ci-dessous que tous les fils de départ sont connectés ensemble et que tous les fils d’arrivée sont connectés à la charge. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 57 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 57 : Connexion en étoile Figure 58 : Générateur classique à quatre fils, connecté en étoile Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 58 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 5.2. PROTECTIONS D’UN GÉNÉRATEUR Le système de protection d’un générateur doit protéger la machine contre tout défaut interne et parallèlement assurer la protection du réseau de tout dysfonctionnement risquant de le mettre en dérangement. altérer Les principaux défauts pouvant affecter un générateur sont : Les surcharges Les court-circuits externes entre phases (sur le réseau) Les court-circuits internes entre phases Les défauts internes entre les phases du stator et de la masse Les défauts entre le rotor et la masse La coupure d’une phase ou l’inversion de deux phases La perte d’excitation Le fonctionnement d’un générateur comme moteur Une fréquence trop basse ou trop élevée Une tension trop basse ou trop élevée 5.2.1. Codes ANSI attribués aux protections Les protections requises utilisent des relais comportant des codes ANSI Fonction du relais • Protection différentielle • Protection de défaut stator / masse • Protection d’impédance • Protection de surtension • Protection de défaut rotor / masse • Protection de défaut de champ • Protection de sous-tension • Protection de retour de puissance • Protection de déséquilibre de courant • Protection de surfluxage (fréquence) • Protection de surchage • Protection de surchage Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Code ANSI 87 G 51 NG 21 G 59-1 et 59-2 64 F 40 27 32-1 45 P et 46 G 59 / 81 G 51-1 G 49 G. Page 59 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 5.2.2. Protection classique d’un générateur comportant une seule ligne Figure 59 : Protection classique d’un générateur comportant une seule ligne Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 60 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 60 : Exemple de générateur synchronisé sur réseau Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 61 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 5.2.3. Descriptions détaillées des protections de générateur 5.2.3.1. Fonctions des protections connectées aux transformateur de courant neutre de générateur 32P : retour de puissance active 32Q : retour de puissance réactive agissant telle une perte d’excitation (pour des générateurs supérieurs à 1 MVA) 46 : système inverse (pour des générateurs supérieurs à 1 MVA) 49 : image thermique 51 : surintensité 51G : défaut de mise à la terre 51V : surintensité à tension retardatrice 87G : protection différentielle du générateur (pour des générateurs supérieurs à 2 MVA). (Remarque : les protections 46, 49, 32P et 32Q peuvent également être connectées à des transformateurs de courant côté secteur). 5.2.3.2. Fonctions des protections connectées à des transformateur de tension 25 : contrôle de synchronisme (fonctionnement en parallèle uniquement) 27 : sous-tension 59 : surtension 81 : sur-fréquence et sous-fréquence. 5.2.3.3. Fonctions des protections connectées à des transformateurs de courant côté ligne (fonctionnement en parallèle uniquement) 67 : surintensité directionnelle (non resquis avec une protection 87G) 67N : défaut de mise à la terre directionnel (sur TC à équilibre de noyaux pour une meilleure sensibilité). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 62 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 5.2.3.4. Fonctions des protections mécaniques de générateur, connectées à des capteurs 49T : température de stator (recommandée pous des générateurs supérieurs à 2 MVA) 49T : température de palier (recommandée pour des générateurs supérieurs à 8 MVA) 64F : protection de défaut de mise à la terre de rotor. 5.2.4. Contrôles pratiques à effectuer par les opérateurs Tous les numéros, types de protections électriques énumérés ci-dessus ne relèvent pas (en règle générale) de la responsabilité d’un opérateur de production. Le principal but de cette liste récapitualtive pour vous, opérateur, est une connaissance minimale de ces équipements lorsque vous vous trouvez dans une salle d’appareillage de connexion électrique. Ne vous inquiétez pas, l’électricien lui-même ne connaît pas le lien entre le numéro et le type de protection ; assurez-vous simplement qu’il connaît au moins l’usage de ces différentes protections. Il doit également être capable (électricien de maintenance) de contrôler / vérifier les réglages d’étalonnage de chacun de ces dispositifs installés. – Vérifier si cela est intégré à la maintenance planifiée. Néanmoins, l’opérateur « standard » ou « universel » est supposé effectuer le contrôle des paramètres de son ‘installation électrique’, à cet effet il doit notamment connaître l’indication de puissance des puissances actives et réactives et le facteur de puissance (cos φ). 5.2.4.1. Révision Dans le cours « électricité », il est possible d’étudier les descriptions détaillées relatives à la puissance active, à celle réactive et au cos φ. Observons ici le principe d’un retour de puissance. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 63 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 61 : Principe de retour de puissance Un alternateur synchronisé sur un réseau fournit une puissance active (P) et une puissance réactive (Q), avec un facteur de puissance (cos φ) de l’ordre de 0,85. 5.2.4.2. Protection de retour de puissance active (Code ANSI 32 P) (P pour active) Cette protection permet de détecter une inversion du signe de la puissance active en l’absence de défaut électrique. Cette protection permet notamment de : Protéger un moteur électrique contre tout fonctionnement au sein d’un générateur lors d’un arrêt d’alimentation et contre toute poursuite de fonctionnement du moteur électrique entraîné par sa charge ; Protéger un générateur contre tout fonctionnement au sein d’un moteur électrique risquant de détériorer le moteur d’entraînement. Figure 62 : Protection de retour de puissance active Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 64 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Un groupe générateur connecté à un réseau d’alimentation continue à tourner par synchronisme même si l’appareil moteur (diesel ou turbine) n’est plus alimenté en énergie, le disjoncteur principal étant maintenu fermé. L’alternateur fonctionne alors tel un moteur synchrone. Tout fonctionnement dans de telles conditions peut s’avérer préjudiciable pour l’appareil moteur. Figure 63 : Représentation schématique du relais de protection de puissance active 5.2.4.3. Protection de retour de puissance réactive (perte d’excitation) (Code ANSI 32 Q) (Q pour réactive) Cette protection permet de détecter la perte de champ des entraînements synchrones. Neutral point rotation I S: apparent power (-) -φ G Q: reactive power (-) V P: active power (+) 3 Ph I amp Ph Synchronized on a network Figure 64 : Protection de retour de puissance réactive L’interruption ou le court-circuit de la bobine d’excitation d’un alternateur représente un défaut sévère. Il peut entraîner le fonctionnement de l’alternateur tel un générateur asynchrone ou l’arrêt de la conversion d’énergie et provoquer une augmentation de la vitesse. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 65 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Il peut en résulter une surchauffe du stator en raison de l’augmentation du courant réactif et une surchauffe du rotor en raison de son dimensionnement inadapté à des courants induits. Un courant induit conséquent circule dans le rotor et provoque une surchauffe. Le courant continu traversant le rotor (appelé inducteur) réalise l’énergisation des entraînements synchrones. La perte de champ peut être due à un défaut dans l’artère de courant continu ou à un défaut du rotor (arrêt, court-circuit, etc). Lorsqu’une perte de champ se produit, l’entraînement compense la chute d’alimentation magnétisante du rotor en absorbant la puissance réactive sur le réseau. La puissance réactive de la machine est alors négative. Figure 65 : Protection contre les pertes d’excitation à l’aide d’un relais de retour puissance réactive. Dans la pratique, le relais peut être réglé de façon à vérifier en permanence le cos φ, le seuil s’établissant entre 0,91 et 0,93. Cela signifie que le relais « voit » la puissance réactive aller dangereusement vers ‘0’ avec la possibilité de devenir négative ; Sur votre installation électrique, veuillez vérifier la valeur de cos φ. Un facteur de puissance de 0,90 est très correct en terme de consommation d’énergie mais se révèle limite en terme de sécurité du générateur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 66 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 6. FONCTIONNEMENTT ET RÉGULATION D’UN ALTERNATEUR 6.1. RÉGLAGE DE CHARGE D’UN GÉNÉRATEUR (OU D’UN ALTERNATEUR) Un alternateur a pour fonction de produire une puissance active. Le fait qu’il existe également une puissance réactive ne peut pas être attribué au générateur ; cela est plutôt la conséquence des caractéristiques de charge. Figure 66 : Gestion de la puissance réactive La régulation de la charge s’effectue donc sur la puissance active. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 67 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Par exemple sur un EDG (Générateur diesel de secours) fonctionnant en commande manuelle, il n’existe que 2 potentiomètres, un réservé à la vitesse du moteur électrique, l’autre au réglage de la tension. L’ajustement de la vitesse est décrit dans les cours relatifs aux turbines et / ou aux moteurs, sur le plan du générateur, il s’agit simplement d’un instrument numérique ou analogique: « veuillez augmenter ou diminuer ». Figure 67 : Exemple de générateur diesel de secours Pour maintenir une constante de fréquence et de tension, ces deux opérations doivent être effectuées simultanément : Contrôler la vitesse en intervenant sur la régulation de la turbine (ou du moteur) Contrôler le courant d’excitation en intervenant sur le rhéostat à champ de shunt de l’excitatrice (voir le dessin ci-dessus) ou via un quelconque dispositif statique de réglage de rotation. En pratique, ces deux opérations peuvent têtre réalisées grâce à un variateur de vitesse et à un variateur de tension. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 68 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 6.2. VARIATEURS AUTOMATIQUES DE TENSION (AVR) Le terme AVR pour Variation automatique de la tension peut être interprété autrement. Comme de fait, c’est la charge (la puissance) qui est régulée, une augmentation de courant diminue la tension et inversement, on pourrait l’appeler Variateur d’intensité. (Interpretation personnelle non officielle…). Les AVR sont de nos jours entièrement électroniques ; ils tirent leur puissance utile à partir de la sortie principale ou de la sous-excitatrice à haute fréquence entrainée par un arbre (en général à 400 Hz) ou encore du réseau ou des UPS. . 6.2.1. Point de consigne d’un AVR (vériateur automatique de tension) Comme tout dispositif asservi, un système de variation automatique de tension maintient la tension constante au sein d’une plage d’erreurs convenues à un niveau auquel il a été réglé. Ce niveau est appelé le ‘point de consigne’. 6.2.2. Variation de tension sur un générateur à courant alternatif Lorsqu’une charge est appliquée sur les bornes d’un générateur tournant préalablement à vide et sans contrôle d’AVR, la tension au niveau des bornes chute proprotionnellement à la charge. Cette chute de tension est appelée la ‘régulation’ du générateur à la charge en question. Elle s’évalue généralement à pleine charge nominale, c’est à dire à un niveau de pleine charge en courant nominal à un niveau de facteur nominal de puissance et s’exprime en pourcentage de la tension à vide ou de celle du système. Ainsi, si V0 est la tension à vide et V la tension sur la borne du générateur à pleine charge nominale avec un niveau de facteur de puissance et une excitation inchangée, alors V0 − V × 100% V0 correspond au pourcentage de régulation à pleine charge. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 69 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 68 : Générateur à courant alternatif avec régulation de tension L’AVR est un « boîtier » recevant « l’image » essentiellement de tension entre 2 ou 3 phases et transmettant en sortie le courant requis dans l’enroulement de champ de façon à compenser la variation de tension. L’AVR est semblable à un « ETC » au sens de la norme d’instrumentation des « Contrôleurs de transmetteur de tension » … De nombreux AVR intègrent « l’image » de courant de ligne qui agit telle une dérivation en anticipant la demande de charge. L’AVR devient alors un JTC pour le Contrôleur transmetteur de puissance… Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 70 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 7. MISE EN PARALLÈLE ET SYNCHRONISATION DE GÉNÉRATEURS 7.1. CONDITIONS DE MISE EN PARALLÈLE 7.1.1. Introduction Au cours de la durée de service d’une installation industrielle, la charge existante transportant les capacités électriques peut nécessiter un renforcement. Il peut s’avérer nécessaire de fournir une charge de crête pendant quelques jours ou une extension permanente de la charge au sein de l’installation. Une solution consisterait à remplacer le groupe générateur existant par une unité plus puissante. Une autre solution efficace et plus économique consiste à disposer un autre groupe générateur au sein du système pour faciliter les capacités des emports de charge, c’est à dire, de mettre en parallèle le second au premier. Figure 69 : Distribution avec plusieurs générateurs en parallèle Lorsque deux sources électriques sont placées en parallèle, la tension du circuit correspond à celle des sources distinctes mais la capacité d’intensité du circuit correspond à la somme des intensités des unités mises en parallèle. Ceci signifie qu’en faisant fonctionner deux unités ou plus en parallèle, une tension de circuit peut être maintenue à la valeur désirée et la capacité des emports de charge du circuit peut être augmentée. Des unités présentant des taux de kW différents peuvent être mises en parallèle sous réserve que les tensions respectives de ces unités soient identiques. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 71 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Plusieurs unités peuvent être mises en parallèle tant qu’il existe une possibilité de répartition des charges proportionnellement à leurs taux respectifs. Une mise en parallèle adaptée relève d’une réponse analogue des moteurs et d’une sensibilité analogue des régulateurs de commande de vitesse, d’une réponse analoque des régulateurs de vitesse et de la présence ou de l’absence de dispositifs de compensation de courants contraires. Quatre conditions applicables au générateur d’entrée et au bus (réseau) doivent exister avant de pouvoir procéder à une mise en parallèle. Ils doivent posséder une rotation de phases identique. Ils doivent fonctionner à la même fréquence. Ils doivent fonctionner à la même tension. Ils doivent être synchronisés ou en phase. Une fois ces 4 conditions simultanément remplies, le générateur de réserve fonctionnera à une vitesse synchrone, la tension sera réglée, en phase, cela signifie que le générateur sera synchronisé, alors seulement la fermeture du disjoncteur principal de charge pourra être réalisée. Figure 70 : Synchronisation d’un générateur La fermeture du disjoncteur du principal constitue l’étape finale des phases de synchronisation. Examinons maintenant les 4 « pré » conditions en détail. 7.1.2. Condition 1 : fonctionnement en phase identique La rotation de phase est déterminée par les connexions effectuées au bus. La Phase A d’une source doit être rencontrée par la Phase A de la seconde source. La Phase B de l’une par la Phase B de l’autre et la phase C de l’une par la phase C de l’autre. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 72 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 71 : Fonctionnement en phase identique Cela signifie non seulement une rotation dans la même direction mais également une correspondance entre chacune des paires de phases. Figure 72 : Correspondance des phases – OK ! Figure 73 : Rotation de phase correcte, phases correspondantes à connecter ensemble Le non respect de cette exigence primordiale entraînera la rotation des rotors en sens inverse par suite des forces magnétiques puissantes présentes dans les stators. Les ordres des phases importent peu, B C A par rapport à B C A ou C A B par rapport à C A B sont également corrects. Un indicateur de rotation de phase peut être utilisé pour vérifier l’ordre des phases du bus et du générateur d’entrée. Si des transformateurs de potentiel ou d’autres instruments sont utilisés pour baisser les tensions du générateur et du bus (réseau) pour l’indicateur de rotation de phase de témoins de synchronisation, une extrême vigilance doit être observée au maintien correct des polarités primaire et secondaire de façon à déclencher le signal correct à l’indicateur de rotation de phase, (En référer à l’électricien de « commissionning » !) Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 73 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La permutation ou le changement de deux lignes du générateur risque d’altérer l’ordre des phases. Nous pourrions également modifier l’ordre des phases en modifiant le sens de rotation du générateur. 7.1.3. Condition 2 : fréquence identique La seconde condition de mise en parallèle s’applique sur le fonctionnement des deux ensembles sur la même fréquence. Dans la figure ci-dessous, on peut observer que le groupe générateur à turbine 1 et le groupe générateur à turbine 2 possèdent des fréquences différentes. GT2 fonctionne plus rapidement que GT1. Figure 74 : Différentiel de fréquences 1 TG 1 1 Hertz TG 2 Figure 75 : Différentiel de fréquences 2 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 74 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La différence de vitesse est appelée « glissement de fréquence ». Pour ajuster la fréquence du générateur d’entrée à celle du bus, ajuster le contacteur de commande de vitesse / potentiomètre sur le panneau du générateur jusqu’à ce que les deux indicateurs de fréquence indiquent la fréquence désirée. Le « taux de glissement » correspond au temps nécessaire à l’alignement de la vitesse de la fréquence du générateur sur celle du bus . La Figure ci-dessous visualise les deux générateurs fonctionnant à la même fréquence. TG 1 TG 2 1 Hertz 1 Hertz Figure 76 : Les deux générateurs fonctionnenent à la même fréquence 1 Les deux courbes peuvent se superposer. TG 1 TG 2 Figure 77 : Les deux générateurs fonctionnent à la même fréquence 2 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 75 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 7.1.4. Condition 3 : tension identique La troisième condition, la correspondance des tensions s’effectue en fournissant un signal de réglage de tension d’augmentation (ou de réduction) au variateur de tension via le rhéostat de réglage de tension placé sur le panneau de commande. Vérifier les voltmètres sur chaque panneau de générateur. La Figure ci-dessous présente une différence d’amplitude de tension et non de fréquence. V1 TG 1 1 Hertz V2 TG 2 Figure 78 : Différentiel de tension (fréquence correcte) Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 76 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 7.1.5. Condition 4 : Synchronisarion ou phasage Des générateurs synchronisés auront leurs pôles nords de rotor placés face à face dans la même position (Figure ci-dessous). Considérons le pôle Nord procurant l’induction maximale (donc la tension maximale) vers une bobine en phase à un instant temps ‘t’. Au même instant, le pôle sud procure une demi-induction (sin 30°) aux deux autres phases (en tension inverse). Figure 79 : Deux rotors avec deux pôles nord / phases face à face dans la même direction à un instant ‘t’ Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 77 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Les pôles nord peuvent se situer sur n’importe quelle position horaire en simultané, pas uniquement dans la condition indiquée dans les figures ci-dessus. (Un rotor à deux pôles a été utilisé pour des raisons de simplicité.) La mise en parallèle dans l’exemple illustré entraînerait la fermeture du coupe-circuit en sortie du générateur d’entrée (en présumant qu’une unité soit connectée au bus / réseau). ATTENTION Le disjoncteur ne doit jamais être FERMÉ lorsque les rotors de deux générateurs ne sont pas en position identique car les forces magnétiques puissantes générées dans les rotors entraîneront la rotation rapide des rotors afin d’atteindre des positions identiques. La règle « d’opposition des pôles identiques et attraction des pôles opposés » est vraie et si elle n’est pas respectée comme dans les figures ci-dessous, les rotors s’arrêteront immédiatement et inverseront leur rotation ou tournoieront rapidement dans la même direction afin d’atteindre des positions de direction identiques. Si un tel évènement se produit, la turbine générant le circuit sera endommagée. Les endommagements peuvent être des couplages de cisaillement interrompues, des arbres ou des boîtes de vitesses cassées, des à-coups de courant / tension de ligne et des pertes de puissance. TG 1 TG 2 TG 1 TG 2 Figure 80 : Phases ‘A’ en opposition à 0 et 180° et en opposition identique à 90 et 270° Il est possible d’obtenir des tensions et des fréquences assorties et cependant « décalées ». La Figure ci-dessous indique une tension sur le bus (TG-1) et une tension sur le générateur d’entrée (TG-2) de façon à avoir la même amplitude de tension. La vitesse est également égale car les deux rotors ont effectué un tour dans le même temps. Figure 81 : Générateurs pour synchroniser un déphasage à 30° Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 78 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Le déphasage n’est néanmoins pas identique. Le déphasage correspond aux degrés relatifs électriques entre l’onde de tension de l’unité d’entrée et l’onde de tension du bus. La détection du déphasage relatif et la fermeture du disjoncteur au niveau du déphasage zéro ou aussi proche que possible de celui-ci correspond au facteur essentiel et le plus critique dans le cadre d’une mise en parallèle. Les figures ci-dessous illustrent un déphasage de tension en degrés électriques. TG 1 TG 2 Figure 82 : En phase 0) déphasage entre les deux générateurs Figure 83 : déphasés de 90° ou déphasage de 90° Figure 84 : déphasé de 120° ou déphasage de 120° Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 79 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 85 : déphasé de 180° ou déphasage de 180° La procédure d’atteinte du déphasage zéro sera décrite sous la rubrique « méthodes de mise en parallèle ». 7.2. SYNCHRONISATION / MISE EN PARALLELE 7.2.1. Prêt pour le couplage Les conditions du paragraphe précédent sont (presque) remplies. Les phases sont correctement positionnées, le « commissioning » a fait son travail ou la mise en parallèle a déjà été effectuée sur ces machines. Le groupe (turbine + générateur) tourne depuis un (petit) moment a la vitesse (approximativement) de synchronisme 3 000 ou 1 500 tours / minute. La tension a été ajustée. Il ne reste plus qu’à mettre les 2 « champ tournants » en phase et à appuyer sur le bouton de fermeture du disjoncteur de couplage en fignolant ou en « jouant » sur la vitesse de la turbine ou du moteur (4ème condition). Le système de synchronisme est bien entendu en manuel, en version tout automatique, il n’y a rien à comprendre « çà marche tout seul » 7.2.2. Manoeuvres de couplage avec lampe d'un alternateur monophasé : Soit un alternateur GT2 (monophasé) que nous nous proposons de coupler en parallèle avec plusieurs autres connectés aux barres PN, appelées barres de couplage. Le réseau (ou GT1) a une F.E.M. . E1. Effectuons le montage de la figure ci-dessous où L1 : L2 désignent des lampes connectées entre les bornes de l’interrupteur de couplage. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 80 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 86 : Alternateur monophasé, couplage par lampes a) L'alternateur GT2 tourne à une vitesse voisine de la vitesse du synchronisme N = 60 f / p (f = fréquence de la D. D. P. E1 entre barres). b) GT2 a été excité de façon à avoir E2 (entre ses bornes de sortie) à la même valeur que E1, les indications étant sur 2 voltmètres différents connectés aux points E1 et E2. La première condition du couplage est réalisée. A ce moment, nous observons que les lampes L1 et L2 marquent des battements. En effet, le circuit fermé (P – GT2 –N) est le siège d'une F.E.M. . qui est égale à e1 + e2 en valeur instantanée (somme algébrique) et à: Tension aux bornes des lampes: ‘E’ E1 E = E1 + E2 E2 Figure 87 : Valeur algébrique de ‘E’ (en grandeur vectorielle) Or, la fréquence de E2, n'étant pas égale à celle de E1 (il faut encore « titiller » la vitesse), le vecteur E2, par rapport au vecteur E1 supposé fixe, tourne avec une vitesse angulaire égale à la différence des pulsations des deux F.E.M. Donc E varie entre les limites ‘0’ et (E1 + E2) E = E1 + E2 = 2E1 = 2 E2 E = 0 Avec E1 supposé être égal à E2 Figure 88 : Variations de E Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 81 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Dans le premier cas, les lampes L1 et L2 sont soumises à extinction, dans le deuxième cas, elle sont au maximum d'éclairement. Attention : prévoir des lampes pouvant supporter 2 fois la tension E1 ou E2, les 2 tensions s’ajoutent (en valeurs instantanées). c) Agissons sur la vitesse de l'alternateur GT2, de façon à ralentir les battements des lampes. Nous fermerons l’interrupteur de couplage dés qu'une extinction durera trois secondes environ. En effet c'est à l'extinction que le vecteur E est nul, c’est-à-dire que les F.E.M. . E1 et E2, sont, dans le circuit commun (P – GT2 –N) en phase par rapport au réseau extérieur. 7.2.3. Manoeuvres de couplage avec lampe d'un alternateur triphasé : L’on utilise exactement le même procédé, l’ordre des phases ayant été repéré précédemment. Figure 89 : Couplage avec lampe d’un alternateur triphasé Les trois premières conditions étant remplies, on s’aperçoit que les trois lampes s’allument et s’éteignent simultanément à une vitesse inversement proportionnelle à la différence de vitesse entre les deux sources E1 et E2. Il faut ajuster (gentiment) la vitesse de GT2 jusqu’à ce que la vitesse de battement des lampes soit faible (au moins 5 secondes allumées) et lorsque les lampes sont éteintes, fermer l’interrupteur de couplage. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 82 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Si les 3 lampes se mettaient à tourner de manière ‘anarchique’, cela signifierait que la condition première « ordre des phases » a été « loupée ». La configuration pourrait ressembler à quelque chose comme la situation ci-après. Figure 90 : Exemple avec « ordre des phases loupé” Dans ce cas, il vaut mieux de pas chercher à coupler….. et tout recommencer Conseil : en triphasé, lors du commissioning (et du premier essai), il faut mettre au moins 2 lampes aux bornes de 2 phases du disjoncteur / interrupteur de couplage, même si tous les « autres appareils » présentent un état ‘OK’. Il y a toujours une possibilité d’erreur, avec au moins 2 lampes vous êtes sûrs à 100% de coupler les bonnes phases… Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 83 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 7.2.4. Manœuvres de couplage avec synchronoscope Le couplage se fait en manuel ou en automatique, les lampes sont remplacées par un « indicateur de différence de champ tournant » soit le synchronoscope, faisant partie de l’ensemble de couplage. Figure 91 : Exemple avec le système de chez ABB, complet et compact SYNCHROTACT CSS prêt pour le montage Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 84 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 92 : Schéma de principe de l’appareil En mode MAN, les fonctions seront ajustées manuellement par des boutons poussoirs depuis la partie frontale, les valeurs de mesures seront indiquées sur les instruments. L’ordre de fermeture sera libéré aux conditions exactes de correspondance des phases si les boutons poussoirs de libération et de fermeture sont sollicités simultanément. En mode AUTO, la tension et la fréquence de l’alternateur seront ajustées automatiquement à leur valeur de tolérance. L’ordre de fermeture pour le disjoncteur tient compte de son temps de fermeture aux conditions exactes de correspondance des phases. 7.2.5. Tolérances de couplage Les limites admissibles des écarts de tension, de fréquence et de synchronisme sont généralement de : Tensions : + ou - 5%. Fréquences : 0,1 à 0,5 Hz - La fréquence du réseau est ensuite surveillée à l’aide d’un relais. Synchronisme ou déphasage : 5° max. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 85 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 7.3. FONCTIONNEMENT DES COMMANDES EN PARALLÈLE 7.3.1. Application de charge Supposons un générateur en ligne sur un réseau mis en parallèle avec d’autres générateurs, le couplage (synchronisation) a été effectué avec succès, nous désirons lui appliquer une charge. Seules 2 commandes peuvent agir sur le couple turbine / générateur ou moteur / générateur, le Réglage de tension du générateur (AVR) et la commande de vitesse de l’appareil moteur. Pour appliquer une charge au générateur « nouvellement mis en place », la commande de vitesse va augmenter / diminuer la puissance active (« vrai » puissance sur l’arbre). Quand le voltage augmente, la puissance réactive augmente. En réalité, le voltage sur le réseau ne se modifie pas ; en revanche le courant de sortie augmente et la puissance (réactive) appliquée au générateur augmente. En commande manuelle, l’opérateur augmente jusqu’à la valeur désirée. En commande automatique, la « répartition » de la puissance progressera (graduellement) jusqu’à la valeur pré-réglée, celle-ci peut correspondre à un pourcentage égal pour tous les générateurs ou suivant ratio de capacité électrique du générateur concerné. 7.3.2. Répartition des charges Ou équilibre des puissances entre des générateurs et selon la configuration de l’installation électrique. Générateurs identiques Figure 93 : Distribution de charge sur des générateurs identiques Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 86 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Sur cette installation électrique, tous les générateurs sont identiques, en règle générale la puissance est partagée à pourcentage égal. Capacités électriques non équilibrées Figure 94 : Générateurs non identiques Il est impossible d’exiger du dernier générateur (0,6 KW) qu’il répartisse une puissance identique à celle des 10 MW. Un système de répartition des charges est donc nécessaire, celui-ci pouvant se réaliser: Selon un ratio de capacité électrique distincte ou suivant un réglage manuel permanent. Selon un système centralisé de répartition de la puissance en fonction d’ordres indépendants pour chaque circuit de commande du générateur, il s’agit de « répartition des charges » dans laquelle un boîtier de commande supplémentaire est ajouté à chaque unité en complément de son AVR et de sa commande de vitesse. Si vous êtes familiarisé aux installations électriques sur site, l’équipement de commande Woodward est installé sur de nombreuses installations, quelques appareils de commande de charge ou de commande de charge et de vitesse sont illustrés ci-après. Le dispositif Répartition des charges et commande de vitesse 2301A est disponible sur des circuits à effet direct-inversé et dans plusieurs plages de vitesse pour les applications nécessitant soit une commande de statisme ou vitesse isochrone. Les modèles sont disponibles avec des rampes d’accélération ou de décélération. Figure 95 : Commande de répartition des charges et de vitesse Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 87 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Le dispositif Commande automatique de chargement de générateur (AGLC) peut être utilisé avec n’importe quel système de répartition des charges et de commande de vitesse Woodward à capteurs de charge intégrés ou externes. Il est conçu pour fournir de façon régulière la charge et la décharge d’un groupe générateur selon un système de répartirion des charges isochrone ou un réglage des charges de base à des débits contrôlés. Les rampes électroniques s’ajustent facilement entre cinq secondes et cinq minutes pour une modification des charges à 100 %. Les débits des rampes de charge et de décharge se règlent séparément. Figure 96 : Commande automatique de chargement de générateur Évidemment, nous ne pouvons éditer ici tous les manuels d’instruction et d’utilisation Woodward, d’ailleurs la répartition des charges + commande des alternateurs constituent un cours complet en lui-même. L’illustration suivante présente un exemple de configuration schématique avec répartition des charges. Nous étudieront néanmoins dans les paragraphes suivants les significations de (‘isochrone’ et ‘statisme. Figure 97 : Schéma type du principe de répartition des charges Le SC x correspond au Contrôleur de vitesse réceptionnant l’indication en tr / min et renvoyant le signal vers le régulateur de l’appareil moteur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 88 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques L’AVR x correspond au Variateur automatique de tension réceptionnant la tension et le courant de son générateur et renvoyant le courant de champ. La LS x correspond au « boîtier » de Répartition des charges assurant le dialogue avec chaque SC et AVR de générateur / appareil moteur, elle est interconnectée avec la LS0 principale qui contrôle la charge totale. 7.3.3. Mode de commande statisme et Isochrone Le mode Isochrone procure une vitesse constante de la turbine pour une unité simple et procure une répartition proportionnelle de la charge entre les unités pour des unités mises en parallèle tout en conservant une fréquene fixe sur un bus isolé. La commande de vitesse, en mode isochrone est pour chaque appareil moteur (pratiquement) indépendante, le régulateur de la turbine (ou du moteur) agit comme un régulateur simple, vérifiant et ajustant « sa » vitesse par rapport à la valeur de synchronisme fixée. Figure 98 : Forme de réponse isochrone pour une fréquence sur une barre de bus Statisme, le régulateur de l’appareil moteur fonctionne de façon à diminuer la vitesse et à augmenter la charge. Ceci correspond au mode fréquemment utilisé pour le fonctionnement de générateurs en parallèle car cela permet une répartition des charges proportionnellement à la charge nominale. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 89 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 99 : Réponse régressive Mais qu’en est-il de la commande de fréquence ? Je désire que le réseau soit à 50 Hz en permanence ! D’autres générateurs doivent être placés en ‘isochrone’ sur le réseau de façon à conserver la fréquence à la valeur désirée. Le premier en « statisme», en règle générale un générateur plus petit tournant en « sous vitesse » maintient juste (par ce système) sa charge à la même valeur que celle sortant de l’autre générateur prenant lui-même l’augmentation de charge. L’AVR, non concerné par le statisme effectue toujours le contrôle à la tension réglée. Le mode Statisme est pré-réglé sous forme de valeurs de projet / de commissioning ; elles se situent dans la plage de 3 % ou 5 %, pour 50 %, 100 % de charge. Figure 100 : Exemple de réglages en mode statisme Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 90 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Une seule machine est soumise à un règlage, si tous les générateurs mis en parallèle possèdent la même courbe de statisme, la fréquence varie en conséquence, l’utilisateur doit simplement accepter la modification de fréquences en fonction de la charge. Les problèmes surviennent lorsque les machines mises en parallèle possèdent des réglages différents de statisme. En référer à un spécialiste…. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 91 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 8. MAINTENANCE D’UN ALTERNATEUR AVERTISSEMENT : avant d’engager une procédure de maintenance, déconnecter toutes les sources d’alimentation des machines et des accessoires ; replacer toutes les connexions de mise à la masse avant d’engager la procédure. Le non-respect de ces précautions peut entraîner des blessures. GÉNÉRALITÉS : Les instructions relatives à la maintenance en général, à la propreté, à l’inspection et à l’isolation telles ques prévues dans les Instructions relatives aux générateurs précisées dans les manuels d’instructions de maintenance édités par les fabriquants s’appliquent à tous les types d’alternateur (y compris ceux à systèmes d’excitation sans balais). Le nettoyage des enroulements de l’excitatrice et de l’ensemble redresseur est recommandé à intervalles réguliers. ATTENTION : si l’extraction ou le séchage d’un rotor (dans une étuve) s’avère nécessaire, déposer l’ensemble redresseur avant de procéder au sèchage du rotor. 8.1. REMPLACEMENT D’UNE DIODE Ce travail doit être réalisé par un technicien qualifié ou dans tous les cas sous sa supervision permanente ; s’agissant d’une opération / intervention relativement courante sur un alternateur, étudions la première cause des problèmes et si cela s’avère nécessaire, remplacer toute diode au silicium défectueuse en suivant les instructions suivantes. Figure 101 : Ensemble pont de diodes sur un générateur sans balais Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 92 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La liste des directives figurant ci-après est indiquée à partir d’informations extraites d’un manuel d’instruction. Il est recommandé de remplacer les diodes par des diodes identiques à celles d’origine. Les diodes de remplacement doivent être commandées suivant la référence prévue par le fabriquant pour le renouvellement. Toujours serrer ou desserrer une diode en tournant l’écrou et en bloquant l’écrou hexagonal sur le corps de diode stationnaire. Nettoyer complètement le dissipateur thermique autour du trou de montage de la diode. S’assurer de l’absence de saillies risquant d’empêcher le parfait logement de la diode contre le dissipateur thermique. Cette surface de fixation ainsi que celle de la diode doivent être parfaitement planes, lisses et propres afin d’assurer un transfert thermique maximum de la diode vers le dissipateur thermique. Les queues de cochon des diodes doivent être positionnées de façon à être exemptes de toute tension et à n’exercer aucune contrainte sur la diode. Certaines diodes peuvent présenter des électrodes soudées entre elles. Si le soudage d’une nouvelle électrode sur la diode s’avère nécessaire, elle doit être déposée du dissipateur thermique, sinon l’électrode doit être installée avant la pose de la diode. Les diodes risquant d’être endommagées par un battement excessif lors du brasage, utiliser une brasure à bas point de fusion telle que 60 pour cent d’étain, 40 pour cent de plomb et appliquer une chaleur juste suffisante pour établir la liaison de la brasure. Utiliser exclusivement une brasure à noyau de résine et nettoyer soigneusement les surfaces avant de procéder au brasage. Lors de l’opération de brasage, la diode peut être bloquée en plaçant l’écrou dans la tige de la diode et en pinçant légèrement l’écrou dans un étau. Veiller au blocage correct de la diode au cours du brasage afin d’éviter de créer un dissipateur thermique efficace sur la diode pouvant résulter en une surchauffe de celle-ci et / ou un joint à brasure de qualité médiocre. Vérifier les filets de la tige de la diode, ils doivent être propres et exempts de bavure. L’écrou doit pouvoir être tourné manuellement sur toute le longueur du filet. Si la diode correspond à celle déposée d’un ensemble redresseur de type 530 et qu’elle doit être réinsallée, éliminer toute trace de colle (« Loctite ») de la tige et des filets de l’écrou avant de procéder à sa pose. Avant d’installer la diode, appliquer une couche de Burndy « Penetrox A » ou produit équivalent sur la surface de fixation du dissipateur thermique de la diode. Lors de la pose d’une diode, appliquer l’une des procédures suivantes appropriée au type d’ensemble redresseur fourni : • TYPE 1. Installer la diode en position correcte. Installer la plaque de verrouillage puis l’écrou de diode. Serrer l’écrou au couple correct (voir le Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 93 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Tableau ci-dessous) et relever la languette de la plaque de verrouillage de façon à bloquer l’écrou en position. • TYPE 2. Installer la diode en position correcte et installer la rondelle élastique de façon à placer la surface au niveau du diamètre extérieur en contact avec le dissipateur thermique. Appliquer une couche de ‘Loctite’ « Screwlock » ou produit équivalent sur les filets de la tige de diode, placer l’écrou sur la tige et le serrer immédiatement au couple correct (voir le Tableau ci-dessous). Taille de al tige Taille écrou hexagonal, diamètre de surplat (pouces) Couple (pouce / livres) Maximum Minimum 1 / 1” – 28 11 / 16 30 25 3 / 18” – 24 1 1 / 16 100 95 ¾” à 16 11/4 300 285 Table 4 : Couple de montage des semiconducteurs ATTENTION : après avoir appliqué de la Loctite sur les filets de la diode et avoir installé l’écrou, celui-ci doit être serré au couple selon sa valeur correcte dès que possible et avant que la Loctite ne soit active. Le non respect de cette consigne peut entraîner des lectures de couple erronées, une pose incorrecte de la diode et sa défaillance. Lors de la pose de diodes, utiliser une clé dynamométrique. L’écrou de la diode doit être serré au couple spécifié. Pour les diodes fournies, observer les limites de couple indiquées dans le tableau. ATTENTION : Des diodes à polarité directe et à polarité inversée sont utilisées dans l’excitatrice, une flèche sur le boîtier de la diode indique la polarité de la diode de l’ensemble redresseur. Lors du remplacement des diodes, s’assurer que les redresseurs de remplacement sur chaque dissipateur thermique indiquent la polarité correcte Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 94 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 102 : Redresseur classique de type ‘1’ Figure 103 : Redresseur classique de type ‘2’ Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 95 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 8.2. REMPLACEMENT D’UNE VARISTANCE Figure 104 : Utilisation d’une varistance sur un alternateur Leroy Somer Une varistance est un dispositif dont la résistance diminue proportionnellement à l’augmentation de la tension qui la traverse. Sa fonction est de supprimer les pics de tension et d’obtenir une charge de résistance. Si le remplacement d’une varistance s’avère nécessaire, respecter les instructions suivantes. Les varistances possédant des caractéristiques particulières, elles doivent être remplacées par le même type de varistance d’origine fournie par le fabriquant de générateurs. Une varistance peut être facilement remplacée en suivant la procédure suivante indiquée en fonction du type de redresseur fourni. Lors de la dépose d’une varistance ou d’un ensemble varistance, noter correctement la façon dont les pièces sont assemblées de façon à les réinstaller de manière semblable. • Type 1. Déposer la tige et l’embout isolant sur lesquels la varistance est montée et dévisser les électrodes de la varistance sur les dissipateurs thermiques. • Type 2. Déposer le cavalier de connexion entre les dissipateurs thermiques de la varistance et déposer la vis fixant l’ensemble varistance sur le dissipateur thermique. Préalablement à la pose d’une nouvelle varistance, vérifier ques les surfaces de fixation des dissipateurs thermiques, des cales et des faces de varistance soient bien planes et lisses. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 96 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Serrer l’écrou et la vis fixant l’ensemble varistance sur le dissipateur thermique de manière suffisante pour établir une connexion électrique correcte. Tout serrage excessif risque de se fissurer et d’endommager les varistances. 8.3. SÉCHAGE DES ENROULEMENTS Les enroulements des générateurs en service peuvent être par mégarde exposés à des projections ou à des vaporisations d’eau. Les unités ayant été en transit ou en stockage pendant des périodes prolongées peuvent avoir été soumises à des températures extrêmes et à des évolutions d’humidité entraînant une condensation excessive. Indépendamment de la source d’humidité, des enroulements humides doivent être parfaitement séchés avant de mettre l’unité en service. Le non respect de cette précaution peut entraîner de graves dégâts sur le générateur. Les procédures suivantes peuvent être employées pour le séchage des enroulements de générateur. La méthode choisie sera fonction du degré d’hygrométrie de l’enroulement et des limites imposées par la situation. 8.3.1. Résistances de chauffage Une résistance électrique peut avoir été fournie par le générateur. Si elle est énergisée depuis une autre source d’alimentation que le générateur, la résistance sèchera progressivement le générateur. Ce processus peut être accéléré en protégeant l’unité d’un couvercle et en l’insérant dans des unités thermiques supplémentaires. Un trou doit être présent au-dessus du couvercle pour permettre à l’humidité de s’évacuer. Veiller à ne pas surchauffer les différents équipements des accessoires montés avec le générateur. Lors d’une intervention sur un générateur (ou d’un moteur électrique équipé d’une résistance de chauffage) ne jamais oublier d’isoler (contacteur et neutralisateur placés sur Off) l’alimentation de la résistance de chauffage en règle générale en 220 ou 380 V……….. 8.3.2. Air forcé Une autre méthode de séchage possible pour le générateur consiste à faire fonctionner le groupe sans excitation. Le débit d’air ambiant dans le générateur aura tendance à sécher les enroulements. Cette méthode peut être accentuée en ajoutant une source thermique à l’admission d’air vers le générateur. La chaleur au niveau du point d’entrée ne doit pas excéder 80 C. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 97 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 8.4. DIFFICULTÉS OPÉRATIONNELLES 8.4.1. Généralités Une inspection minutieuse et ponctuelle des machines en cours de fonctionnement est essentielle afin de détecter tout fonctionnement incorrect risquant à terme d’entraîner une défaillance sévère. Certaines difficultés de fonctionnement relatives à un système d’excitation sans balais susceptibles de se produire sont indiquées dans le Tableau ci-dessous ainsi que leurs causes, ces événements doivent être corrigés dès leur détection. 8.4.2. Tableau de dépistage des pannes Pièce affectée Excitatrice Difficulté Élément à vérifier Courant de champ de l’excitatrice excessif Diode ou varistance défectueuse Spires du champ interrompues dans l’excitatrice ou dans le générateur Coupure dans le câblage du circuit Surcharges Tension de sortie du générateur ne s’accumulant pas Électrodes du champ inversées Perte résiduelle dans l’excitatrice Circuit ouvert dans le système d’excitation Variateur défectueux Absence de commande de la tension de sortie du générateur Variateur défectueux Circuit ouvert ou court-circuit dans le système de l’excitatrice Table 5 : Dépistage des pannes d’un générateur Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 98 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 8.4.3. Résistance d’isolement Si un générateur est humide à la suite d’expédition, d’un stockage ou d’une période d’inactivité, il est conseillé de mesurer la résistance d’isolement des enroulements du stator et du rotor à l’aide d’un mégohmmètre (tension adaptée à la tension de l’alternateur sur le stator et sur le rotor). ATTENTION : Lors de l’utilisation d’un mégohmmètre pour vérifier la résistance d’isolement du stator, s’assurer d’avoir déconnecté tous les équipements de contrôle et / ou les condensateurs de suppression d’ondes radio au niveau des bornes du générateur et de l’excitatrice. Pour effectuer à l’aide d’un mégohmmètre la mesure du rotor d’un générateur équipé d’une excitatrice à courant alternatif sans balais, couper les dissipateurs thermiques avant d’appliquer l’alimentation. Le non respect de ces précautions risque d’endommager les redresseurs ou les autres dispositifs à semiconducteur connecté dans ces circuits. Conformément aux normes établies, la résistance d’isolement minimum recommandée pour les enroulements de stator est : Rm = KV + 1 où Rm = résistance d’isolement minimum recommandée pour les enroulements complets d’un rotor en mégohms à 40° C (obtenue en appliquant un potentiel direct sur les enroulements complets pendant une minute) et KV = tension nominale de la machine en kilovolts. La formule susmentionnée doit également être utilisée pour établir la résistance d’isolement minimum recommandée pour un enroulement de champ en utilisant la tension de champ en kilovolts indiquée dans le formule ci-dessus. VALEURS DE RÉSISTANCE D’ISOLEMENT Extraites des Spéc. Total : SP-COM-511 ACTIVITÉS DE « PRECOMMISSIONING » Valeurs lors du « commissioning » d’un GÉNÉRATEUR Les connexions utilisées pour les tests de résistance d’isolement doivent être analogues à celles utilisées dans le test de haute tension. Un mégohmmètre de 5 000 V doit être utilisé pour les test des enroulements de 5,5 kV et un mégohmmètre de 1 000 V doit être utilisé pour les enroulements de 440 V et les enroulements d’une excitatrice. Un mégohmmètre de 500 V doit être utilisé pour les test de résistance anti-condensation et du socle des paliers. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 99 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La valeur d’isolement minimum acceptable est : Enroulements de générateur de 5,5 kV - 150 Mégohms Enroulements de générateur de 400 V - 100 Mégohms Enroulements d’excitatrice - 100 Mégohms Résitances anti-condensation - 10 Megohms Isolement des paliers - 1 Mégohm Si la resistance d’isolement d’un enroulement de générateur est inférieure à la valeur minimum acceptable, l’indice de polarisation (pour un électricien, il est lié à la classe d’isolement) doit être mesuré. Un mégohmmètre motorisé ou un matériel analogue est nécessaire pour la réalisation du test. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 100 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 9. MOTEUR SYNCHRONE Vous venez de voir ce qu’est un moteur synchrone puisque c’est la même machine que l’alternateur. La caractéristique principale du moteur synchrone est que le rotor, à la différence des machines asynchrones tourne sans glissement à la vitesse du champ tournant quelle que soit la charge sur l’arbre (en restant dans la limite de la puissance nominale, bien entendu). Il existe deux types principaux et distincts de moteurs synchrones : les moteurs à aimants et les moteurs à rotor bobiné. Il n’y a donc pas lieu de présenter sa technologie, c’est déjà fait, quand il est identique à l’alternateur que nous avons vu dans les chapitres précédents, c’est-à-dire à rotor bobiné. Nous voyons, quand même, ses avantage s et inconvénients. Le moteur synchrone à aimants permanents (l’alternateur de vélo !) est utilisé pour les « petites » machines. 9.1. MOTEUR SYNCHRONE À AIMANTS PERMANENTS Le rotor du moteur est équipé d'aimants permanents en général en terre rare pour obtenir un champ élevé dans un volume réduit. Le stator comporte les enroulements triphasés. Figure 105 : Coupe d’un moteur synchrone à aimants permanents Ces moteurs peuvent accepter des courants de surcharge importants pour réaliser des accélérations très rapides. Ils sont toujours associés à un variateur de vitesse et ces ensembles moto-variateurs sont destinés à des marchés spécifiques comme ceux des robots ou des machines-outils pour lesquels un moindre volume des moteurs, les accélérations et la bande passante sont des impératifs. À aimants, à fréquence fixe et capable de démarrer ? Pour qu’un moteur synchrone puisse démarrer directement à la fréquence du réseau (sans l’aide d’une cage d’écureuil – voir moteur asynchrone), il faut des conditions tout à fait particulières sur le moment d’inertie et le couple résistant. L’inertie totale ramenée sur l’arbre doit être suffisamment faible pour permettre le premier pas et le couple résistant doit être quasi nul, ce qui peut être obtenu grâce au jeu de ’éventuel réducteur mécanique. S’il est, en outre monophasé, il ne peut théoriquement pas démarrer sauf si le rotor se trouve à l’arrêt dans une position telle qu’il y aura un couple au moment de la mise sous tension. Cette condition est obtenue soit par une bague de déphasage qui donne un champ tournant soit grâce au couple de détente judicieusement décalé. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 101 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 106 : Moteur synchrone à aimants à un seul sens de rotation « SAIA » Parmi les moteurs synchrones monophasés à aimants, on trouve les petits moteurs à grand nombre de pôles et stator à griffes qui sont utilisés dans les programmateurs et horloges électromécaniques. Leurs puissances sont de quelques watts et leurs vitesses de quelques tours / mn. La structure de la figure ci-dessus met en oeuvre une bague de déphasage. Dans la gamme de quelques dizaines de watts, un moteur 2 pôles aimants permanents ferrite, qui peut fonctionner en alimentation monophasée, grâce à son couple de détente déphasé par une dissymétrie du stator au niveau de l’entrefer (figure ci-dessous), est apparu sur le marché et a détrôné les moteurs asynchrones à bobine écran dans des applications comme les presse-fruits, les pompes de vidange. Son principal avantage est d’être beaucoup plus petit donc moins cher. Figure 107 : Moteur synchrone monophasé à aimants : coupe [Alten 94], « Mabuchi » Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 102 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 9.2. MOTEUR SYNCHRONE À ROTOR BOBINÉ Les machines synchrones à rotor bobiné sont réversibles et peuvent fonctionner en générateurs (alternateurs) ou en moteurs. Pendant longtemps ces machines ont surtout été utilisées comme alternateurs. Leur usage en moteur était pratiquement confiné aux applications où il était nécessaire d'entraîner des charges à vitesse fixe en dépit des variations relativement importantes de leur couple résistant. Le développement des convertisseurs de fréquence directs (type cycloconvertisseur) ou indirects fonctionnant en commutation naturelle grâce à l'aptitude des machines synchrones à fournir de la puissance réactive, a permis la réalisation d'entraînements électriques à vitesse variable performants, fiables et particulièrement compétitifs par rapport aux solutions concourantes lorsque la puissance dépasse le mégawatt. Bien que l’on puisse trouver des moteurs synchrones utilisés industriellement dans la gamme de puissance de 150 kW à 5 MW, c’est au-delà de 5 MW que les entraînements électriques utilisant des moteurs synchrones se sont pratiquement imposés, majoritairement associés à des variateurs de vitesse. (Variation de fréquence = variation de vitesse) Caractéristiques de fonctionnement Le couple moteur de la machine synchrone est proportionnel à la tension à ses bornes alors que celui de la machine asynchrone est proportionnel au carré de cette tension. Contrairement au moteur asynchrone, il peut travailler avec un facteur de puissance égal à l'unité ou très voisin de celle-ci. 9.2.1. Avantages du moteur synchrone (à rotor bobiné) Le moteur synchrone, par rapport au moteur asynchrone, bénéficie donc d’un certain nombre de particularités avantageuses en ce qui concerne son alimentation par le réseau à tension et fréquence constantes : La vitesse du moteur est constante, quelle que soit la charge ; Il peut fournir de la puissance réactive et permettre d’améliorer le facteur de puissance d’une installation. Il est effectivement employé à cette fin dans des installations ayant un ‘pauvre cos φ (beaucoup de charge inductive ). Il peut supporter sans décrocher des chutes de tension relativement importantes (de l'ordre de 50 % en raison de ses possibilités de surexcitation). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 103 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Puissance absorbée côté moteur synchrone Puissance générée côté alternateur P: puissance active (+) V φ Amélioration du cos φ S: puissance apparente Q: Puissance réactive (+) I Figure 108 : Moteur synchrone améliorant le cos φ d’une installation 9.2.2. Inconvénients du moteur synchrone (à rotor bobiné) Toutefois, le moteur synchrone alimenté directement par le réseau de distribution d'énergie à tension et fréquence constantes présente deux inconvénients : Il a des difficultés de démarrage ; de fait, si le moteur n’est pas associé à un variateur de vitesse, le démarrage doit s’effectuer à vide, soit par démarrage direct pour les petits moteurs, soit à l’aide d’un moteur de lancement qui l’entraîne à une vitesse proche du synchronisme avant le couplage direct sur le réseau. Il peut décrocher si le couple résistant dépasse son couple électromagnétique maximal et, dans ce cas, il faut reprendre tout le processus de démarrage. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 104 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 9.3. LES AUTRES MOTEURS SYNCHRONES Pour terminer le tour d’horizon des moteurs synchrones industriels, citons les moteurs linéaires, les moteurs asynchrones synchronisés et les moteurs pas à pas. 9.3.1. Les moteurs linéaires Leur structure est identique à celle des moteurs rotatifs de type synchrone : ils sont composés d’un stator (plateau) et d’un rotor (tige d’avance) développés en ligne. En général le plateau se déplace sur une glissière le long de la tige d’avance. Ce type de moteur s’affranchit de toute cinématique intermédiaire pour la transformation du mouvement d’où l’absence de jeu et d’usure mécanique de cet entraînement. 9.3.2. Les moteurs asynchrones synchronisés Ce sont des moteurs à induction. Lors de la phase de démarrage, le moteur fonctionne en mode asynchrone et lorsqu'il a atteint une vitesse proche du synchronisme, il passe en mode synchrone. Si sa charge mécanique est importante, il ne peut plus tourner en mode synchrone et repasse en mode asynchrone. Cette particularité est obtenue par une construction spéciale du rotor et en général pour des moteurs de faible puissance. 9.3.3. Les moteurs pas à pas Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques alimentant ses bobinages. Selon son alimentation électrique, il peut être de type : Unipolaire si ses bobinages sont toujours alimentés dans le même sens par une tension unique, d'où le nom d'unipolaire ; Bipolaire lorsque ses bobinages sont alimentés tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre sens. Ils créent une fois un pôle Nord, une fois un pôle Sud d'où le nom de bipolaire. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 105 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Étapes de fonctionnement Bipolaire à aimants permanent Unipolaire à réluctance variable Bipolaire hybride 2 phases, 4 fils 4 phases, 8 fils 2 phases, 4 fils 8 24 12 Pas 1 État intermédiaire Pas 2 Table 6 : Les trois types de moteurs pas à pas Les moteurs pas à pas peuvent être à réluctance variable, à aimants ou une combinaison des deux (figure ci-dessus). L'angle de rotation minimal entre deux modifications des impulsions électriques s'appelle un pas. On caractérise un moteur par : Le nombre de pas par tour (c’est-à-dire pour 360°). Les valeurs courantes sont 48, 100 ou 200 pas par tour. La rotation du moteur se fait donc de manière discontinue. Pour améliorer la résolution, ce nombre de pas peut être augmenté de manière purement électronique (fonctionnement en micro-pas). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 106 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 109 : Échelons de courant appliqués aux bobines d’un moteur pas à pas pour réduire son pas. En faisant varier par échelon le courant (figure ci-dessus ) dans les bobines, on crée un champ résultant qui glisse d'un pas à un autre, ce qui a pour résultat la réduction effective du pas. Les circuits pour micro-pas multiplient par 500 le nombre de pas d’un moteur qui passe ainsi, par exemple, de 200 à 100 000 pas. L'électronique permet de piloter la chronologie de ces impulsions et d'en comptabiliser le nombre. Les moteurs pas à pas et leur circuit de commande permettent ainsi la rotation d'un axe avec beaucoup de précision en vitesse et en amplitude. Leur fonctionnement s’apparente donc à celui d’un moteur synchrone quand l’arbre est en rotation continue, ce qui correspond à des limites spécifiées de fréquence, de couple et d’inertie de la charge entraînée (figure ci-dessous). Si ces limites sont dépassées, le moteur décroche ce qui se traduit par l’arrêt du moteur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 107 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 110 : Couple maximal en fonction de la fréquence du pas. Un positionnement angulaire précis est possible sans boucle de mesure. Ces moteurs de puissance en général en dessous du kW, sont, pour les petits modèles alimentés en basse tension. Industriellement, ces moteurs sont utilisés pour des applications de positionnement telles que réglage de butées pour coupe à longueur, commande de vannes, de dispositifs optiques ou de mesure, chargement déchargement de presses ou de machines outils etc. La simplicité de cette solution la rend particulièrement économique (pas de boucle de retour). Les moteurs pas à pas à aimants présentent également l’avantage d’un couple à l’arrêt en l’absence d’alimentation. Par contre, la position initiale du mobile doit être connue et prise en compte par l’électronique afin d’assurer un pilotage efficace. Voyons quelques exemples d’application 9.3.3.1. Moteur synchrone pas à pas ‘Lavet’ Tout d’abord, une structure monophasée, abondamment exploitée dans les montres et les pendules électriques, est celle du moteur dit Lavet, le diamètre rotor à aimant bipolaire vaut environ 1 à 1,5 mm et le couple, dans le cas des montres, vaut environ 1 DN.m. La figure ci-dessous montre un tel moteur qui peut fonctionner dans un seul sens de rotation. Figure 111 : Moteur Lavet monophasé pour l’horlogerie ‘Minot 98’ et ’Seiko’ Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 108 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 9.3.3.2. Moteur synchrone pas à pas à griffes La figure ci-dessous montre la structure, ainsi qu’une photo, du moteur à induit à griffes à deux phases juxtaposées. Le rotor est un aimant multipolaire en ferrite (quelque fois en NdFeB). Le moteur 48 pas par tour est le plus fréquent, il possède 12 paires de pôles. Figure 112 : Structure à aimants diphasée à induit à griffes. 9.3.3.3. Moteur synchrone pas à pas ‘Escap’ Le moteur à aimant disque ‘Escap’ est unique en son genre, il met en oeuvre un disque rotorique aimanté axialement et très fin (Oudet 81). Le stator est constitué de U en tôles excitées par des bobinages globalisés, l’induit est diphasé. Cette architecture originale permet d’obtenir de très grandes accélérations et des fréquences très élevées grâce à de faibles pertes magnétiques. Figure 113 : Moteur à aimant disque Portescap (Oudet 81)- (Kenjo 92) Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 109 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 9.3.3.4. Moteur synchrone pas à pas hybrides Enfin, les moteurs hybrides dans leur structure la plus courante, celle à aimantation axiale au rotor et deux dentures décalées d’un demi-pas pour obtenir un flux inducteur alternatif au stator. La plus courante comprends deux phases composées chacune de 4 pôles statorique dentés et un rotor à 50 dents qui confèrent une résolution de 200 pas par tour. Il existe également des moteurs à 5 phases. Figure 114 : Moteur pas à pas hybride Vexta, 200 pas par tour, 2 phases. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 110 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 10. MOTEUR TRIPHASÉ ASYNCHRONE Ce chapitre est consacré à la présentation des moteurs asynchrones triphasés, moteurs les plus utilisés sur les sites pour l'entraînement des machines. Ces moteurs s’imposent en effet dans un grand nombre d'applications en raison des avantages qu'ils présentent : normalisés, ils sont robustes, simples d’entretien, faciles à mettre en oeuvre et de faible coût. 10.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT A considérer (presque) comme un rappel puisque nous avons déjà vu les principes du magnétisme et du fonctionnement des moteurs synchrones et à courant continu. 10.1.1. Principe magnétique Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone repose sur la création d'un courant induit dans un conducteur lorsque celui-ci coupe les lignes de force d'un champ magnétique, d'où le nom de « moteur à induction ». L’action combinée de ce courant induit et du champ magnétique crée une force motrice sur le rotor du moteur. Supposons une spire ABCD en court-circuit, située dans un champ magnétique B, et mobile autour d'un axe xy. Figure 115 : Création d’un courant induit dans une spire en court-circuit. Si, par exemple, nous faisons tourner le champ magnétique dans le sens des aiguilles d'une montre, la spire est soumise à un flux variable et devient le siège d'une force électromotrice induite qui donne naissance à un courant induit ‘i’ (loi de Faraday). D'après la loi de Lenz, le sens du courant est tel qu'il s'oppose par son action électromagnétique à la cause qui lui a donné naissance. Chacun des deux conducteurs est donc soumis à une force F de Laplace (de Lorentz, pour les Anglo-Saxons), de sens opposé à son déplacement relatif par rapport au champ inducteur. La règle des trois doigts de la main droite (action du champ sur un courant, (figure cidessous) permet de définir facilement le sens de la force F appliquée à chaque conducteur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 111 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Le pouce est placé dans le sens du champ de l'inducteur. L'index indique le sens de la force. Le majeur est placé dans le sens du courant induit. Figure 116 : La règle des trois doigts de la main droite pour trouver la direction de la force. La spire est donc soumise à un couple qui provoque sa rotation dans le même sens que le champ inducteur, appelé champ tournant. La spire se met donc en rotation et le couple électromoteur produit équilibre le couple résistant. 10.1.2. Création du champ tournant Trois enroulements, géométriquement décalés de 120°, sont alimentés chacun par une des phases d'un réseau triphasé alternatif Figure 117 : Principe d’un moteur asynchrone triphasé. Les enroulements sont parcourus par des courants alternatifs présentant le même décalage électrique, et qui produisent chacun un champ magnétique alternatif sinusoïdal. Ce champ, toujours dirigé suivant le même axe, est maximal quand le courant dans l'enroulement est maximal. Le champ généré par chaque enroulement est la résultante de deux champs qui tournent en sens inverse et ayant chacun pour valeur constante la moitié de la valeur du champ maximal. Figure 118 : Champs générés par les trois phases. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 112 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques A un instant t1 quelconque de la période (figure ci-dessus), les champs produits par chaque enroulement peuvent être représentés comme suit : Le champ H1 diminue. Les 2 champs qui le composent ont tendance à s'éloigner de l'axe OH1, Le champ H2 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH2, Le champ H3 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH3. Le flux correspondant à la phase 3 est négatif. Le champ est donc dirigé dans le sens opposé à la bobine. En superposant les trois diagrammes, nous constatons que : Les trois champs tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sont décalés de 120° et s'annulent. Les trois champs tournant dans le sens des aiguilles d'une montre se superposent. Ces champs s'additionnent pour former le champ tournant d'amplitude constante 3Hmax / 2. C'est un champ à une paire de pôles. Ce champ effectue un tour pendant une période du courant d'alimentation. Sa vitesse est fonction de la fréquence du réseau (f), et du nombre de paires de pôles (p). Elle est appelée « vitesse de synchronisme », correspondant à la vitesse de rotation de l’alternateur (ou du moteur synchrone) que le moteur asynchrone ne pourra jamais atteindre à cause du « phénomène » du paragraphe suivant. 10.1.3. Glissement Le couple moteur ne peut exister que si un courant induit circule dans la spire. Ce couple est déterminé par le courant qui circule dans la spire et qui ne peut exister que s'il existe une variation de flux dans cette spire. Il faut donc qu'il y ait une différence de vitesse entre la spire et le champ tournant. C'est la raison pour laquelle un moteur électrique fonctionnant suivant le principe que nous venons de décrire est appelé : «moteur asynchrone». La différence entre la vitesse de synchronisme (Ns) et celle de la spire (N) est appelée « glissement » (g) et s'exprime en % de la vitesse de synchronisme. g = [(Ns - N) / Ns] x 100 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 113 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques En fonctionnement, la fréquence du courant rotorique s’obtient en multipliant la fréquence d’alimentation par le glissement. Au démarrage la fréquence du courant rotorique est donc maximale. Le glissement en régime établi est variable suivant la charge du moteur et selon le niveau de la tension d’alimentation qui lui est appliqué : il est d'autant plus faible que le moteur est peu chargé, et il augmente si le moteur est sous alimenté. 10.1.4. Vitesse de synchronisme Encore un rappel, puisque vu avec les alternateurs. L’on se représente la vitesse de synchronisme d’un moteur asynchrone comme étant la vitesse théorique à laquelle il devrait tourner s’il n’y avait pas le glissement. La vitesse de synchronisme des moteurs asynchrones triphasés est proportionnelle à la fréquence du courant d’alimentation et inversement proportionnelle au nombre de paires de pôles constituant le stator. Par exemple : Ns = 60 f / p Ns : vitesse de synchronisme en tr / min f : fréquence en Hz, p : nombre de paires de pôles. C’est bien entendu, la même chose que pour la machine synchrone. Pour les fréquences industrielles de 50 Hz et 60 Hz et une autre fréquence (100 Hz), les vitesses de rotation du champ tournant, ou vitesses de synchronisme, en fonction du nombre de pôles, sont données dans le tableau récapitulatif ci-après. Vitesse de rotation en tr / min Nombre de pôles 50 Hz 60 Hz 100 Hz 2 3000 3600 6000 4 1500 1800 3000 6 1000 1200 2000 8 750 900 1500 10 600 720 1200 12 500 600 1000 16 375 540 750 Table 7 : Fréquence en fonction de la vitesse de rotation du champ tournant Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 114 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Dans la pratique il n’est pas toujours possible d'augmenter la vitesse d'un moteur asynchrone en l'alimentant sous une fréquence supérieure à celle pour laquelle il est prévu, même si la tension est adaptée. Il convient en effet de vérifier si ses conceptions mécanique et électrique le permettent. A noter que compte tenu du glissement, les vitesses de rotation en charge des moteurs asynchrones sont légèrement inférieures aux vitesses de synchronisme indiquées dans le tableau. 10.2. CONSTITUTION Un moteur asynchrone triphasé (à cage) comporte deux parties principales : un inducteur = stator et un induit = rotor. Et uniquement dans cette association alors qu’un alternateur peut avoir un inducteur fixe (dans le stator) ou tournant (dans le rotor) et un induit fixe ou tournant. 10.2.1. Le stator C’est la partie fixe du moteur. Une carcasse en fonte ou en alliage léger renferme une couronne de tôles minces (de l'ordre de 0,5 mm d'épaisseur) en acier au silicium. Les tôles sont isolées entre elles par oxydation ou par un vernis isolant. Le « feuilletage » du circuit magnétique réduit les pertes par hystérésis et par courants de Foucault. Figure 119 : Stator d’un moteur asynchrone Les tôles sont munies d’encoches dans lesquelles prennent place les enroulements statoriques destinés à produire le champ tournant (trois enroulements dans le cas d'un moteur triphasé). Chaque enroulement est constitué de plusieurs bobines. Le mode de couplage de ces bobines entre elles définit le nombre de paires de pôles du moteur, donc la vitesse de rotation. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 115 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 10.2.2. Le rotor C’est l’élément mobile du moteur. Comme le circuit magnétique du stator, il est constitué d'un empilage de tôles minces isolées entre elles et formant un cylindre claveté sur l'arbre du moteur. Figure 120 : Rotor (à cage d’écureuil) d’un moteur asynchrone Cet élément, de par sa technologie, permet de distinguer deux familles de moteurs asynchrones : ceux dont le rotor est dit « à cage », et ceux dont le rotor bobiné est dit « à bagues ». Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 116 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 10.3. LES DIFFERENTS TYPES DE ROTOR 10.3.1. Le rotor à cage Plusieurs types de rotor à cage existent, ils sont tous conçus selon l’exemple de la figure ci-dessus (et ci-dessous) Figure 121 : Éclaté d’un moteur à cage En citant ces moteurs dans l'ordre du moins répandu au plus courant : 10.3.1.1. Rotor à cage résistante Le rotor résistant existe surtout en simple cage (voir plus loin la définition du moteur simple cage). La cage est fermée par deux anneaux résistants (alliage particulier, section réduite, anneaux d'inox …). Ces moteurs présentent un fort glissement au couple nominal. Leur couple de démarrage est élevé et le courant de démarrage faible (voir courbe cidessous). En raison des pertes dans le rotor, leur rendement est faible. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 117 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Ces moteurs sont en principe utilisés sur des applications pour lesquelles il est intéressant d’avoir du glissement afin d’adapter la vitesse en fonction du couple, par exemple : Cas de plusieurs moteurs liés mécaniquement sur lesquels doit être répartie la charge, tels que train à rouleaux d’un laminoir, entraînement d’un portique de levage ; Fonction enrouleur-dérouleur à partir de moteurs Alquist (*) prévus à cet effet ; Besoin d’un fort couple de démarrage avec un courant d’appel limité (palans de levage ou convoyeurs). Ils permettent la variation de vitesse par modification de la seule tension, mais cette application tend à disparaître au profit des convertisseurs de fréquence. Si tous les moteurs sont auto-ventilés, certains moteurs avec rotor à cage résistante sont moto-ventilés (motorisation distincte de leur ventilateur). Figure 122 : Courbes couple / vitesse suivant les types de rotors à cage (à Un). (*) Ces moteurs asynchrones moto-ventilés à fort glissement sont utilisés en variation de vitesse, leur courant au calage est voisin de leur courant nominal ; leur caractéristique de couple / vitesse est très plongeante. Avec une alimentation variable il est possible d'adapter cette caractéristique et de régler le couple moteur en fonction de la traction souhaitée. 10.3.1.2. Rotor à simple cage Dans des trous ou dans des encoches disposés sur le pourtour du rotor (à l’extérieur du cylindre constitué par l’empilage de tôles) sont placés des conducteurs reliés à chaque extrémité par une couronne métallique et sur lesquels vient s'exercer le couple moteur généré par le champ tournant. Pour que le couple soit régulier, les conducteurs sont légèrement inclinés par rapport à l'axe du moteur. L’ensemble a l’aspect d’une cage d’écureuil, d’où le nom de ce type de rotor. La cage d’écureuil est généralement entièrement moulée, (seuls les très gros moteurs sont réalisés à l'aide de conducteurs insérés dans des encoches). L’aluminium est injecté sous pression et les ailettes de refroidissement, coulées lors de la même opération, assurent la mise en court-circuit des conducteurs du stator. Ces moteurs ont un couple de démarrage relativement faible et le courant absorbé lors de la mise sous tension est très supérieur au courant nominal (courbe ci-dessus). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 118 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques En contre partie ils ont un faible glissement au couple nominal. Ces moteurs sont utilisés principalement en forte puissance pour améliorer le rendement des installations sur des pompes et ventilateurs. Ils sont également associés à des convertisseurs de fréquence en vitesse variable, les problèmes de couple et de courant de démarrage sont alors parfaitement résolus. 10.3.1.3. Rotor à double cage Il comporte deux cages concentriques, l’une extérieure, de faible section et assez résistante, I’autre intérieure, de forte section et de résistance plus faible. Au début du démarrage, les courants rotoriques étant à fréquence élevée, l'effet de peau qui en résulte fait que la totalité du courant rotorique circule à la périphérie du rotor et donc dans une section réduite des conducteurs. Au début du démarrage, le courant rotorique étant de fréquence élevée, le courant ne circule que dans la cage extérieure. Le couple produit par la cage extérieure résistante est important et l’appel de courant réduit (courbe ci-dessus). En fin de démarrage, la fréquence diminue dans le rotor, le passage du flux à travers la cage intérieure est plus facile. Le moteur se comporte alors sensiblement comme s’il était construit avec une seule cage peu résistante. En régime établi, la vitesse n’est que très légèrement inférieure à celle du moteur à simple cage. 10.3.1.4. Rotor à encoches profondes C'est la réalisation standard. Les conducteurs rotoriques sont moulés dans les encoches du rotor qui sont de forme trapézoïdale dont le petit coté du trapèze se situe à l'extérieur du rotor. Le fonctionnement est analogue au moteur à double cage : l’intensité du courant rotorique varie en fonction inverse de sa fréquence. Ainsi : Au début du démarrage, le couple est élevé et l’appel de courant réduit. En régime établi, la vitesse est sensiblement celle du moteur à simple cage. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 119 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 10.3.2. Le rotor bobiné (rotor à bagues) Dans des encoches pratiquées à la périphérie du rotor sont logés des enroulements identiques à ceux du stator (figure suivante). Généralement le rotor est triphasé. Figure 123 : Vue éclatée d’un moteur asynchrone à rotor à bagues Une extrémité de chacun des enroulements est reliée à un point commun (couplage étoile). Les extrémités libres peuvent être raccordées sur un coupleur centrifuge ou sur trois bagues en cuivre, isolées et solidaires du rotor. Sur ces bagues viennent frotter des balais à base de graphite, raccordés au dispositif de démarrage. En fonction de la valeur des résistances insérées dans le circuit rotorique, ce type de moteur peut développer un couple de démarrage s’élevant jusqu’à 2,5 fois le couple nominal. Le courant au démarrage est sensiblement proportionnel au couple développé sur l’arbre moteur. Cette solution est de plus en plus abandonnée au profit de solutions électroniques associées à un moteur à cage standard. En effet ces dernières permettent de résoudre des problèmes de maintenance (remplacement des balais d’alimentation du rotor usés, entretien des résistances de réglage), de réduire l’énergie dissipée dans ces résistances et aussi d’améliorer de façon importante le rendement de l’installation. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 120 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 11. AUTRES TYPES DE MOTEURS ÉLECTRIQUES 11.1. MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASÉS Le moteur asynchrone monophasé, bien que moins utilisé dans l’industrie que son homologue triphasé, représente néanmoins une part d'applications non négligeable dans les petites puissances et dans les applications du bâtiment qui utilisent le réseau monophasé 230 V. A puissance égale, il est plus volumineux qu'un moteur triphasé. Par ailleurs, son rendement et son cosinus φ sont beaucoup plus faibles que dans le cas du triphasé et ils varient considérablement en fonction d’une part de la puissance, d’autre part du constructeur 11.1.1. Constitution Le moteur monophasé, comme le moteur triphasé, est composé de deux parties : le stator et le rotor. 11.1.1.1. Le stator Il comporte un nombre pair de pôles et ses bobinages sont raccordés sur le réseau d’alimentation. 11.1.1.2. Le rotor Il est le plus souvent à cage d’écureuil. 11.1.2. Principe de fonctionnement Considérons un stator comprenant deux enroulements raccordés sur le réseau d’alimentation L1 et N. Figure 124 : Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone monophasé. Le courant alternatif monophasé engendre Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 121 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques dans le rotor un champ alternatif simple H qui est la superposition de deux champs tournants H1 et H2 de même valeur et de sens contraires. A l’arrêt, le stator étant alimenté, ces champs présentent le même glissement par rapport au rotor et produisent par conséquent deux couples égaux et opposés. Le moteur ne peut démarrer. Une impulsion mécanique sur le rotor provoque une inégalité des glissements. L’un des couples diminue pendant que l’autre augmente. Le couple résultant provoque le démarrage du moteur dans le sens où il a été lancé. 11.1.3. Démarrage moteur monophasé avec condensateur Afin de résoudre ce problème de couple lors de la phase de démarrage, dans le système le plus courant, un deuxième bobinage décalé de 90° est inséré dans le stator. Cette phase auxiliaire est alimentée par un artifice de déphasage (condensateur ou inductance) ; une fois le démarrage effectué la phase auxiliaire peut être supprimée. 11.1.3.1. A condensateur permanent moteur biphasé Son bobinage comporte 2 phases égales occupant chacune la moitié des encoches, l'inversion du sens s'obtient par simple permutation de l'alimentation aux bornes des fils allant au condensateur permanent, avec de l'autre coté un commun. Les puissances sont égales dans les deux sens de rotation. Utilisé pour les très petites puissances. Généralement utilisé pour des asservissements de vannes, on "dope » alors sa puissance... mais pour un service intermittent. Figure 125 : Condensateur permanent Moteur biphasé 11.1.3.2. Moteur à condensateur permanent et à bobinage dit « 1 / 3 - 2 / 3 ». Son bobinage comprend une phase principale qui occupe 2 / 3 des encoches, et la phase auxiliaire occupant le tiers restant. La phase auxiliaire étant en circuit en permanence, en série avec un condensateur dit « condensateur permanent ». Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 122 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Ces moteurs ont faible couple de démarrage : CD / CN compris entre 0,3 - 0,8 . C'est le classique des moteurs bas de gamme de grande surface... On doit donc réserver son utilisation à des usages où l'on peut tolérer un faible couple de démarrage : pompes centrifuges, machines démarrant à vide, etc. Figure 126 : Condensateur permanent 1 / 3-2 / 3 11.1.3.3. Moteur à condensateur de démarrage (et à bobinage « 1 / 3 - 2 / 3 ») Le bobinage comporte deux « phases » : une « phase de marche » ou « phase principale », et une « phase auxiliaire » ou « phase de démarrage ». Le bobinage de la phase de marche, qui occupe les deux tiers des encoches, son fil est plus gros, il a la plus faible résistance ohmique. La « phase de démarrage », qui occupe elle le reste des encoches soit le tiers restant. Le moteur comporte aussi un artifice de démarrage, qui peut être, soit un contact centrifuge soit, un relais d’intensité ou de tension (suivant le procédé) coupant le condensateur après le démarrage Figure 127 : Schéma à relais d'intensité et condensateur de démarrage. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 I> Page 123 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 128 : Séquence caractéristique de démarrage moteur bi à relais et condensateur Le condensateur, dit « condensateur de démarrage » est un condensateur électrolytique de forte capacité : des centaines de µF, pour Service Intermittent (*). Ces moteurs ont un fort couple de démarrage : CD / CN compris entre 1,5 à 3 ce qui est quasi équivalent au Cd / Cn des moteurs asynchrones triphasés (*) Ce type de condensateur ne supporte pas de rester sous tension plus longtemps que le temps d'un démarrage, au-delà il peut exploser Figure 129 : Condensateur de démarrage Il existe aussi des Moteurs à condensateur de démarrage et à condensateur permanent Moteur "Split-Phase" ou à phase de démarrage à haute résistance Moteur à enroulement de démarrage dit « bifilaire », (ou à spires inversées ) Etc…. Il est impossible de tout énumérer, mais il est toutefois une question récourante : comment on fait pour démarrer et faire tourner un moteur tri en mono ? ET ce n’est pas le propre d’électricien ce type de question….paragraphe suivant. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 124 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 11.1.4. Moteur triphasé en monophasé 11.1.4.1. Avec des condensateurs Il faut admettre une perte de puissance de 30%, et une perte de couple de démarrage pour les schémas à 1 seul condensateur. A. Phase principale = une phase du tri, Phase auxiliaire = deux phases en série. Figure 130 : Moteur tri en mono : phase principale= 1 phase & Phase auxiliaire = 2 phases Les deux bobinages ainsi répartis ont donc ainsi leurs axes respectifs décalés de 90°, un condensateur de valeur appropriée servira à alimenter la phase auxiliaire. Ce raccordement permet d'avoir le maximum de puissance en 220 V, toujours en comptant une perte du tiers de la puissance d'origine (voir tableau). B. Phase principale = deux phases du tri en série, Phase auxiliaire = 1 phase du tri. Ce raccordement avec deux phases en série pour la phase principale, bien que plus logique pour se rapprocher du bobinage 2 / 3 - 1 / 3 des vrais monophasés, devrait être utilisé à tension double, soit en 400 V monophasé. Ou alors en 220 V il faudra diviser par deux la puissance espérée ... Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 125 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques C. Moteur en triangle Figure 131 : Moteur tri en mono – version couplage triangle Le plus couramment utilisé D. Phase principale = 2 phases du tri en parallèle, Phase auxiliaire = la phase restante Peu utilisé, car ne fonctionne que sous certaines conditions de schémas de bobinage et avec des petits moteurs. (Petites pompes de machines-outils, à faible nombre d’encoches, par ex.) E. Tableau des valeurs de C Au cas où vous désirez faire votre « bricolage…. Hauteur d’axe du moteur en mm (type) Puissance en tri (kW) Puissance en mono (kW) Cd (condo de démarrage) µF Cp (condo permanent µF In 220 Courant en 220V Id 220 Courant démarrage En 220V 80 0,55 0,37 120 30 2,2 11,5 80 0,75 0,55 225 32 3,3 18 90 1,1 0,75 300 47 4,2 25 90 1,5 1,1 500 75 6,1 38 100 2,2 1,5 560 90 8,3 45 100 3 2,2 650 140 12,2 60 112 4 3 1100 250 17 90 Table 8 : Valeurs de C Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 126 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques F. Nature des condensateurs : Cd : condensateur type "démarrage" (électrochimique pour alternatif 50hz, démarrage moteur mono) 260 / 330 V~ (se rajoute, le temps du démarrage, 1 à 2 secondes, en / / sur le condensateur de marche) On peut utiliser des interrupteurs spéciaux à double contact dont un contact "maintenu", ou une temporisation rapide commandant un relais de condensateur de démarrage. Cp ; condensateur type "permanent" (polypropylène ou papier / huile) 400 / 450 V~ 11.1.4.2. Avec un "moteur pilote"ou transformateur convertisseur de phases On utilise un moteur tri que l'on fait démarrer à vide en premier, avec les artifices cités plus haut, puis on peut connecter un autre moteur tri aux bornes de ce moteur tenant lieu de génératrice : c'est le moteur "pilote". Figure 132 : Moteur tri en mono – rack convertisseur de phase Puis on peut brancher d'autres moteurs si le moteur pilote est de taille convenable, ensuite le réseau ainsi créé augmente petit à petit sa capacité en puissance de démarrage avec l’apport de nouvelles charges. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 127 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 133 : Moteur tri en mono - Convertisseur triphasé de la marque ISOMATIC (UK) 11.1.4.3. Avec un convertisseur de fréquence On utilise un convertisseur de fréquence ou variateur de fréquence * (ou « inverter ») qui à partir du réseau 230 V monophasé reconstitue trois phases décalées de 120° électriques avec une loi U / f : 230V-50 Hz Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 128 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 11.2. MOTEURS À COURANT CONTINU Nous avons vu plus haut la machine à courant continu, une génératrice et un moteur à courant continu étant les mêmes appareils. Voyons plus en détail ci-après la fonction « moteur » de la machine à courant continu. 11.2.1. Introduction Les moteurs à courant continu à excitation séparée sont encore quelquefois utilisés pour l'entraînement à vitesse variable des machines. Très faciles à miniaturiser, ils s'imposent dans les très faibles puissances et les faibles tensions. Ils se prêtent également fort bien, jusqu'à des puissances importantes (plusieurs mégawatts), à la variation de vitesse avec des technologies électroniques simples et peu onéreuses pour des performances élevées (plage de variation couramment exploitée de 1 à 100). Leurs caractéristiques permettent également une régulation précise du couple, en moteur ou en générateur. Leur vitesse de rotation nominale, indépendante de la fréquence du réseau, est aisément adaptable par construction à toutes les applications. Ils sont en revanche moins robustes que les moteurs asynchrones et beaucoup plus chers, tant en coût matériel qu'en maintenance, car ils nécessitent un entretien régulier principalement du collecteur et des balais. 11.2.2. Constitution Un moteur à courant continu est composé des principaux éléments suivants : L'inducteur ou stator C'est un élément du circuit magnétique immobile sur lequel un enroulement est bobiné afin de produire un champ magnétique. L'électro-aimant ainsi réalisé comporte une cavité cylindrique entre ses pôles. L'induit ou rotor C'est un cylindre en tôles magnétiques isolées entre elles et perpendiculaires à l'axe du cylindre. L'induit est mobile en rotation autour de son axe et est séparé de l'inducteur par un entrefer. A sa périphérie, des conducteurs sont régulièrement répartis. Le collecteur et les balais Le collecteur est solidaire de l'induit. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 129 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Les balais sont fixes, ils frottent sur le collecteur et ainsi alimentent les conducteurs de l'induit. 11.2.3. Principe de fonctionnement Lorsque l'inducteur est alimenté, il crée un champ magnétique (flux d’excitation) dans l'entrefer, dirigé suivant les rayons de l'induit. Ce champ magnétique « rentre » dans l'induit du côté du pôle Nord de l'inducteur et « sort » de l'induit du côté du pôle Sud de l'inducteur. Quand l'induit est alimenté, ses conducteurs situés sous un même pôle inducteur (d'un même côté des balais) sont parcourus par des courants de même sens et sont donc, d'après la loi de Laplace, soumis à une force. Les conducteurs situés sous l'autre pôle sont soumis à une force de même intensité et de sens opposé. Les deux forces créent un couple qui fait tourner l'induit du moteur Figure 134 : Production d’un couple dans un moteur à courant continu. Lorsque l’induit du moteur est alimenté sous une tension continue ou redressée U, il produit une force contre-électromotrice E dont la valeur est E = U – RI RI représente la chute de tension ohmique dans l'induit. La force contre-électromotrice E est liée à la vitesse et à l'excitation par la relation E=kωΦ k est une constante propre au moteur, ω, la vitesse angulaire, Φ, le flux. Cette relation montre qu'à excitation constante la force contre-électromotrice E, proportionnelle à ω, est une image de la vitesse. Le couple est lié au flux inducteur et au courant dans l'induit par la relation : C=kΦI Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 130 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques En réduisant le flux, le couple diminue. Deux méthodes permettent de faire croître la vitesse. Soit augmenter la force contre-électromotrice E, donc la tension d'alimentation à excitation constante : c'est le fonctionnement dit « à couple constant » ; Soit diminuer le flux d'excitation, donc le courant d'excitation, en maintenant la tension d'alimentation constante : c'est le fonctionnement dit en régime « défluxé » ou « à puissance constante ». Ce fonctionnement impose que le couple soit décroissant avec l'augmentation de vitesse (courbes ci-dessous). Figure 135 : Courbes couple / vitesse d’un moteur à excitation séparée. D'autre part, pour des rapports élevés de défluxage ce fonctionnement nécessite des moteurs spécialement adaptés (mécaniquement et électriquement) pour s'affranchir des problèmes de commutation. Le fonctionnement d'un tel appareil (moteur à courant continu) est réversible : si la charge s’oppose au mouvement de rotation (charge dite résistante), l’appareil fournit un couple et fonctionne en moteur, si la charge est telle qu’elle tend à faire tourner l’appareil (charge dite entraînante) ou qu’elle s’oppose au ralentissement (phase d’arrêt d’une charge présentant une certaine inertie), l’appareil fournit de l'énergie électrique et fonctionne en génératrice. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 131 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 11.2.4. Différents types de moteurs à courant continu Figure 136 : Schémas des différents types de moteurs à courant continu. 11.2.4.1. A excitation parallèle (séparée ou shunt) Les bobinages, induit et inducteur, sont connectés en parallèle ou alimentés par deux sources de tensions différentes pour des questions d’adaptation aux caractéristiques de la machine (ex. : tension d’induit 400 volts et tension d’inducteur 180 volts). L'inversion du sens de rotation s'obtient par l'inversion de l'un ou de l'autre des enroulements, en général par inversion de la tension d'induit en raison des constantes de temps beaucoup plus réduites. La majorité des variateurs bidirectionnels pour moteur à courant continu travaillent de la sorte. 11.2.4.2. A excitation série Ce moteur est de construction semblable à celle du moteur à excitation séparée, excepté que l’inducteur doit supporter le même courant que l’induit. Le bobinage inducteur est connecté en série avec le bobinage induit, d'où son appellation. L'inversion du sens de rotation est obtenue indifféremment par inversion des polarités de l'induit ou de l'inducteur. Ce moteur est essentiellement utilisé en traction, en particulier sur les chariots alimentés par batteries d’accumulateurs. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 132 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques En traction ferroviaire les anciennes motrices du TGV utilisaient ce type de moteur, les plus récentes utilisent des moteurs asynchrones 11.2.4.3. A excitation série parallèle (composée ou « compound ») Cette technologie permet de réunir les qualités du moteur à excitation série et du moteur à excitation parallèle. Ce moteur comporte deux enroulements par pôle inducteur. L'un est en parallèle avec l'induit. Il est parcouru par un faible courant au regard du courant de travail. L'autre est en série. Le moteur est à flux additif si les ampères-tours des deux enroulements ajoutent leurs effets. Il est à flux soustractif dans le cas contraire, mais ce mode de montage est très rarement utilisé car il conduit à un fonctionnement instable pour les fortes charges. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 133 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12. EXPLOITATION DES MOTEURS ASYNCHRONES Nous ne verrons ici que le moteur dit « classique » rencontré sur les sites, c’est-à-dire le moteur à cage (à cage d’écureuil). 12.1. RACCORDEMENTS ET COUPLAGE N’est concerné que le stator du moteur à cage, bien entendu puisqu’il n’y a aucune communication avec le rotor 12.1.1. Boîte de raccordement ou plaque à bornes Tout moteur possède un minimum de 6 bornes pour effectuer son raccordement sur l’alimentation. Nous ne revenons pas ici sur le principe du couplage étoile / triangle. Figure 137 : Plaque à bornes d’un moteur de taille ‘moyenne’ Figure 138 : Arrangement étoile-triangle des enroulements stator, 6 bornes sorties Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 134 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Dans l’exemple de la figure cidessus l’on couple les enroulements en triangle pour un réseau triphasé en 220V, et en étoile pour un réseau en 380V Disposition des enroulements du stator à partir de la plaque à bornes Figure 139 : Plaque à bornes d’un moteur à raccorder plaque à bornes 3 lamelles de cuivre, où les mettre? L’électricien dispose de 3 lamelles (par construction dans la plaque à bornes). A votre avis, pour le couplage étoile, n’ayant besoin que de 2 lamelles, que fait-il avec la troisième ? La puissance est conservée en 220 et en 380V, les intensités étant supérieures en triangle dans le même ratio que pour celui des tensions. 12.1.2. Sens de rotation L’ordre des phases d’une installation électrique triphasée est (théoriquement) toujours la même. Quand l’ordre des phases U, V, W est respecté, le raccordement (correspondant) des bornes L1, L2,L3 doit faire tourner le moteur dans le sens des aiguilles d’une montre en regardant le moteur du côté arbre sorti (drive end). Figure 140 : Sens de rotation « conventionnel » d’un moteur En pratique, le test de sens de rotation des moteurs se fait toujours sur site, et pour chacun des moteurs (il vaut mieux !) : Lorsqu’un moteur tourne dans le ‘mauvais sens’ lors de l’essai, il suffira d’inverser 2 phases. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 135 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.1.3. Autres couplages des enroulements statoriques 12.1.3.1. Moteurs à couplage de pôles Il est possible d’obtenir un moteur à deux ou plusieurs vitesses en créant dans le stator des combinaisons de bobinages qui correspondent à des nombres de pôles différents. Petite vitesse Grande vitesse Petite vitesse Grande vitesse Figure 141 : Couplage Dahlander triangle / étoile (pour couple constant) Ce type de moteur ne permet que des rapports de vitesses de 1 à 2 (4 et 8 pôles, 6 et 12 pôles, etc.). Il comporte six bornes. Petite vitesse Grande vitesse Petite vitesse Grande vitesse Figure 142 : Couplage Dahlander étoile / étoile-étoile (pour couple quadratique) Pour l’une des vitesses, le réseau est connecté sur les trois bornes correspondantes. Pour la seconde, celles-ci sont reliées entre elles, le réseau étant branché sur les trois autres bornes. Le plus souvent, aussi bien en grande qu’en petite vitesse, le démarrage s’effectue par couplage au réseau sans dispositif particulier (démarrage direct). Dans certains cas, si les conditions d’exploitation l’exigent et si le moteur le permet, le dispositif de démarrage réalise automatiquement le passage en petite vitesse avant d’enclencher la grande vitesse ou avant l'arrêt. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 136 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Suivant les courants absorbés lors des couplages Petite Vitesse -PV- ou Grande Vitesse -GV-, la protection peut être réalisée par un même relais thermique pour les deux vitesses ou par deux relais (un pour chaque vitesse). Généralement, ces moteurs ont un rendement peu élevé et un facteur de puissance assez faible. 12.1.3.2. Moteurs à enroulements statoriques séparés Ce type de moteurs, comportant deux enroulements statoriques électriquement indépendants, permet d'obtenir deux vitesses dans un rapport quelconque. Cependant leurs caractéristiques électriques sont souvent affectées par le fait que les enroulements PV doivent supporter les contraintes mécaniques et électriques résultant du fonctionnement du moteur en GV. Ainsi, de tels moteurs fonctionnant en PV absorbent parfois un courant plus important qu'en GV. Il est également possible de réaliser des moteurs à trois ou quatre vitesses en procédant au couplage des pôles sur l'un des enroulements statoriques ou sur les deux. Cette solution exige des prises supplémentaires sur les bobinages. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 137 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.1.4. La plaque signalétique Toutes les information nécessaires se retrouvent sur la plaque signalétique comme sur les exemples ci-après : Fréquence des courants statoriques vitesse puissance Cos φ rendement nombre de phases Température maximale d ’utilisation intensité normale absorbée pour un couplage triangle intensité normale absorbée pour un couplage étoile Figure 143 : Exemple de plaque signalétique de moteur Leroy-Somer Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 138 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Dans l’exemple suivant (moteur ABB), le rapport IA / IN = 4,7s doit être associé a tE = 9s. Le courant de démarrage au moins égal à 4,7 fois le courant nominal ne doit pas dépasser en durée 9 secondes. Il y a lieu de prévoir un dispositif de protection approprié Figure 144 : Exemple de plaque signalétique de moteur ABB Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 139 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.2. CONDITIONS PARTICULIÈRES D’EXPLOITATION 12.2.1. Protection mécanique Tout équipement électrique (et instrumentation) a un degré « IP » de protection contre l’entrée de particules solides (1er chiffre) et contre l’entrée de particules liquides (2ème chiffre). Voir le cours ‘électricité’. Figure 145 : Vue éclatée d’un moteur à cage d’écureuil avec degré de protection IP 54 12.2.2. Refroidissement Voici quelques exemples de principe de refroidissement, Figure 146 : Motor with Air-Air exchanger / Moteur à circulation d’air Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 140 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 147 : Open motor with or without filter / Moteur ouvert avec ou sans filtre Figure 148 : Motor with Air pulse cooler / Moteur à refroidissement par air forcé Figure 149 : Motor with Air-Water exchanger / Moteur avec échangeur air - eau Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 141 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.2.3. Moteur pour atmosphère explosive Les moteurs doivent être certifiés pour installation dans une zone à risque et avoir sur la plaque signalétique le sigle Correspondant a l’approbation des normes européennes avec les lettres ‘CE’ Les nouvelles européennes (les normes américaines l’ont toujours fait) imposent de spécifier l’utilisation en zone gaz avec la lettre ‘G’. Les autres lettres sont ‘M’ pour Mines et ‘D’ pour Dust (poussière) Sur la plaque signalétique doit figurer l’indication : Exemple : EEx e IIC T3 (ancienne norme sur laquelle rien n’est indiqué) xxx : numéro de certification par un organisme agrée II : équipement à utiliser en surface (I est pour la mine) 2 : pour la zone « géographique » sur site. Attention les nouvelles normes sont 1, 2 et 3 quand les anciennes donnaient 0, 1 et 2 G : pour utilisation en zone à risque gaz ou vapeur : Attention un matériel estampillé ‘D’ ne doit pas être installé en zone ‘G’ et inversement. Les plaques signalétiques comportent la nouvelle identification (ci-dessus) mais aussi l’ancienne, par exemple EEx ‘e’ IIC T3, voyons la signification des lettres minuscules, ‘d’, ‘e’, ‘p’ et ‘n’ qui s’appliquent aux moteurs 12.2.3.1. Sécurité augmentée (increased Safety) EEx ‘e’ ‘e’ signifiant en particulier Le moteur, en service normal, ne doit avoir aucune partie susceptible de produire un arc ou une étincelle ou d’atteindre un seuil de température dangereux (auto ignition). Toutes les précautions doivent avoir été prises, lors de la construction pour prévenir de ce risque d’ignition par arc, étincelle ou température excessive qui Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 142 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques pourrait être provoqué par mauvais contact électrique (utilisation de bornes spéciales), échauffement, dépassement de charge (overload) ou tout autre phénomène. La limitation de température s’applique aussi bien aux éléments internes qu’à la température en surface extérieure. Le degré de protection ‘IP’ ne doit pas être inférieur à IP54. Toutes les connexions des parties sous tension doivent être sécurisées. Le moteur doit avoir un raccordement à la terre par une borne interne et une borne externe. Figure 150 : Les impératifs de fabrication du moteur ‘Ex’ à sécurité augmentée ‘e’ 12.2.3.2. Enveloppe anti-déflagrante ‘d’ ‘Flameproof’ in English and not ‘explosion proof’ ‘d’ signifiant en particulier L’enveloppe du moteur doit être construite afin de contenir à l’intérieur de celleci toute flamme, toute déflagration qui pourrait s’y produire et ce sans aucune propagation dans l’atmosphère environnante et sans provoquer de déformation suite à l’explosion. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 143 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Le moteur peut être étanche aux liquides mais n’est pas systématiquement étanche au gaz et vapeur, le gaz peut circuler à l’intérieur Le moteur doit avoir un raccordement à la terre par une borne interne et une borne externe. 12.2.3.3. Enveloppe pressurisée ‘p’ ‘p’ signifiant en particulier Le moteur doit fonctionner avec à l’intérieur une pression positive par rapport à l’atmosphère extérieure afin d’éviter la pénétration de l’atmosphère ambiante. Une pression positive de 0,.5 milli bar relative par rapport à la pression extérieure doit être maintenue dans l’enveloppe du moteur. En cas de perte de cette pression le moteur doit avoir son (ou ses) alimentation électrique immédiatement interrompue. Le moteur doit avoir un raccordement à la terre par une borne interne et une borne externe. 12.2.3.4. Non incentive ‘n’ Non sparking in English ‘n’ signifiant en particulier Moteur ne pouvant être installé qu’en zone 3 (nouvelles normes), zone 2 (anciennes normes). Moteur conçu de manière à éviter toute production d’étincelle, de flamme, de haute température en fonctionnement normal. (Idem ‘e’). Le degré ‘IP’ de protection doit être IP54 minimum pour les boites de raccordement (plaque à bornes) et IP44 pour toutes les parties intérieures isolées. Le moteur doit avoir un raccordement à la terre par une borne interne et une borne externe. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 144 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.2.4. Opération à 60 Hz Un moteur fabriqué pour du 50 Hz et une tension déterminée peut être utilisé en 60. Hz sans aucune modification Moteur fabriqué pour du 60Hz et une tension spécifique peut être utilisé en 50 Hz, Bon nombre de plaques signalétiques de moteur indiquent à la fois les caractéristiques en 50 et en 60 Hz. Ci-après un récapitulatif indicatif des possibilités. Moteur fabriqué pour Tension d’utilisation du 50 Hz sous 60 Hz 220V 380 V 415 V 500 V Data pour du 60 Hz en ratio % du 50 Hz Puissance + de sortie en % Vitesse + en % 220V 100 120 255 V 115 120 380 V 100 120 415 V 110 120 440 V 115 120 460 BV 120 120 415 V 100 120 460 V 110 120 500 V 100 120 550 V 110 120 575 V 115 120 600 V 120 120 Table 9 : Utilisation d’un moteur 50 Hz en 60 Hz Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 145 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Exemple : Paramètre Data à 50 Hz Ratio de conversion Data à 60 Hz Tension 380 V - 440 V Puissance 11 kW 1,15 12,6 kW Courant 23 A 1,0 23 A Vitesse 1450 Tr / min 1,20 1740 Tr / min Table 10 : Exemple de conversion 50 Hz / 60 Hz 12.3. SCHÉMAS DE BASE - ALIMENTATION DES MOTEURS Concerne toujours « notre moteur à cage ci-contre ‘schématisé’ Ci-après quelques exemples des schémas typiques de câblage de moteurs Le schéma de commande moteur comprend toujours : Le schéma de puissance, alimentant directement le moteur. Le schéma de contrôle ou circuit de commande. Voir cours « électricité ». 12.3.1. Démarrage direct d'un moteur triphasé par disjoncteur-moteur Courant de démarrage : Un moteur mis sous tension présente un « courant de démarrage » plus ou moins long et plus ou moins proportionnel au courant nominal, et ce suivant le type de moteur et le type de charge. La protection électrique tient compte (généralement) de ce courant de démarrage en proposant deux types de protection, l’une pour le courant nominal (ou courant de charge ‘normal’ et l’autre pour le ‘pic’ de démarrage. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 146 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La protection par relais thermique, technologiquement plus « inerte » attend que le courant du moteur se stabilise à sa valeur de service. I Figure 151 : Courant de démarrage d’un moteur à cage Courant au démarrage en ∆ Courant au démarrage en Y N s La protection magnétique, plus rapide (et presque immédiate) tiendra compte des courants de démarrage trop importants et anormaux. La protection magnétique agit également pour les « très forts » courant comme les courts-circuits : Ces protections (thermiques et magnétiques) peuvent être par relais séparés ou incorporés à des disjoncteurs ou des discontacteurs. Voir le cours ‘électricité’ pour la technologie Commande locale (uniquement) L'appareil assure la commande manuelle locale (à proximité du moteur on/off sur le discontacteur), protège contre les courtscircuits et les surcharges Protections assurées Par un déclencheur thermique et / ou magnétique ou un déclencheur magnétothermique. Enclenchement manuel sur le discontacteur Figure 152 : Schéma de câblage Démarrage direct discontacteur Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 147 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.3.2. Démarrage direct d'un moteur mono par contacteur Un moteur monophasé est représenté sur le schéma ci-dessous, la protection et le contrôle sont identiques pour un moteur triphasé, en mono, il suffit de mettre en série 2 pôles pour Q1, KM1 et F1. Le schéma de câblage pour un moteur ou pour tout autre matériel comporte toujours 2 parties distinctes : Le schéma de puissance Le schéma de commande (ou de contrôle) Voir cours ‘électricité’ Figure 153 : Schéma de câblage monoDémarrage contacteur Note : Q1 est un interrupteur. Les interrupteurs ne dont pas employés en industrie pétrolière. L’on utilisera soit un sectionneur, soit un disjoncteur Commande locale L'association d'un interrupteur (Q1), d'un contacteur (KM1) et d'un relais de protection thermique (F1) dans un coffret, autorise la coupure en charge et protège contre les surcharges. Conformément aux normes d'installations en vigueur, chaque départ doit être protégé contre les courts-circuits par des fusibles ou un disjoncteur placés en amont. Protections assurées Par un relais tripolaire de protection thermique contre les surcharges faibles et prolongées. Dans le cas d’un moteur monophasé, 2 pôles de Q1, KM1, F1 sont mis en série. Verrouillage de l'ouverture du coffret si l'interrupteur n'est pas ouvert. Fonctionnement du circuit de puissance : Fermeture manuelle de l'interrupteur Q1. Fermeture de KM1. Q1 : calibre In moteur. KM1 : calibre In moteur en fonction de la catégorie d'emploi. F1 : calibre In moteur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 148 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Fonctionnement du circuit de commande Impulsion sur « marche ». Fermeture de KM1. Auto-alimentation par contact auxiliaire de KM1. Arrêt : impulsion sur le bouton poussoir « arrêt », ou par déclenchement du relais de protection thermique FI. 12.3.3. Démarrage protection moteur à 2 sens de rotation Le circuit de puissance comporte un contacteur complémentaire pour l’inversion du sens de marche. L'inversion du sens de marche est obtenue en croisant deux des conducteurs de phase d'alimentation, le troisième restant inchangé. On inverse ainsi le sens du champ tournant, et, par conséquent, le sens de rotation. Un verrouillage mécanique est nécessaire pour éviter le court circuit entre les deux phases dans le cas où les contacteurs KM1 et KM2 seraient fermés simultanément. Un verrouillage électrique par les contacts auxiliaires de KM1 et KM2, dans le circuit de commande permet de compléter le verrouillage mécanique dans le cas où ce dernier serait défaillant. Figure 154 : Circuit de puissance et circuit de commande Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 149 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Circuit de commande : Q est un contact qui est lié directement au sectionneur porte-fusible (interrupteur ou sectionneur). Si celui-ci est ouvert il n'y aura pas d'alimentation du circuit de commande. Arrêt est un contact qui permet l'arrêt du moteur. F est un contact à ouverture qui se déclenche si le moteur subit une trop forte intensité. bp1 et bp2 sont les boutons poussoir à fermeture qui vont permettre le pilotage du moteur dans un sens ou dans l'autre. km1 et km2 sont des contacts à fermeture liés aux deux contacteurs. On utilise aussi des contacts à ouverture qui empêcheront la possibilité d'avoir une commande de rotation du moteur dans les deux sens. 12.3.4. Démarrage étoile triangle Figure 155 : Circuit de puissance – Schéma démarrage étoile triangle – circuit de commande Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 150 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques La commande est effectuée par des boutons poussoirs momentanés (S1 et S2). Une impulsion sur le bouton poussoir MARCHE (S2) met la bobine du contacteur étoile (KM1) sous tension et ferme son contact ; ce dernier alimente KM2 le contacteur de ligne. Le contact KM2 étant maintenant fermé, il auto alimente la bobine KM2, démarre le cycle de la temporisation et permet l'auto maintient du contacteur KM1. Nous pouvons noter qu'un contact de KM1 interdit la mise sous tension de KM3. Dans cette phase le moteur est couplé en étoile et prend de la vitesse. Le temps préréglé du dispositif de temporisation s'écoule et les contacts de la temporisation se déclenchent. La bobine KM1 n'est plus alimentée (le contact NC temporisé KM2 s'ouvre) et de ce fait autorise l'alimentation de KM3 conjointement avec le contact NO de temporisation KM2. KM3 s'enclenche et permet au couplage triangle d'être effectif. Nous pouvons noter qu'un contact à KM3 interdit la mise sous tension de KM1 (ce dispositif est un OU exclusif appelé verrouillage électrique). Une impulsion sur le bouton poussoir S1 (BP ARRET) arrête le moteur. L'intensité absorbée (proportionnelle à la tension appliquée) est le 1 / 3 de celle qu'absorberait le moteur s'il démarrait directement en triangle. La valeur de la pointe de l'intensité atteint en général deux fois l'intensité nominale. Le couple au démarrage (proportionnel au carré de la tension appliquée) et le couple maximum en étoile sont ramenés au 1 / 3 des valeurs obtenues en démarrage direct. La valeur du couple de démarrage atteint en général 0,5 fois le couple nominal. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 151 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.4. DISPOSITIFS DE PROTECTION DES MOTEURS Voir le cours « électricité » exposant en détail la technologie et le principe des contrôles et protections. Voyons toutefois, ci-après les principes des principales protections. 12.4.1. Protection thermique Le déclencheur thermique tripolaire, protège), contre les surcharges faibles et prolongées (éléments thermiques). En option, un additif limiteur branché en série avec les pôles du disjoncteur moteur permet d'augmenter le pouvoir de coupure de l'appareil. Figure 156 : Protection thermique 12.4.2. Protection électromagnétique Par relais à maximum de courant Protection des installations soumises à des pointes de courant fréquentes et importantes. Ce relais protège également contre les courts-circuits. Raccordement du circuit de puissance Insérer dans chaque phase ou fil d'alimentation, un relais électromagnétique. Fonctionnement du circuit de commande (schéma) : Commande 2 fils. KM1 fermé. Pointe de courant importante. Déclenchement de F2, F3 ou F4. Ouverture de KM1 par F2, F3 ou F4. Rétablissement instantané du contact du ou des relais déclenchés. Fermeture de KM1 après impulsion sur le bouton-poussoir marche. Figure 157 : Protection électromagnétique Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 152 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.4.3. Protection par disjoncteur magnétothermique Figure 158 : Représentation schématique du disjoncteur unipolaire. En triphasé, 3 pôles identiques sont associés mécaniquement, l’action d’un seul pôle faisant déclencher l’ensemble tripolaire (ou tétrapolaire). La protection thermique et la protection magnétique font déclencher mécaniquement le disjoncteur et ce pour un « problème » sur une phase (seulement) ou plusieurs phases. Le disjoncteur est à préférer à la protection (classique) par fusible car évitant à 100% la marche sur « 2 pattes » qui peut advenir lors de la rupture d’un seul fusible. Le disjoncteur peut être à réarmement manuel ou automatique. Avec un disjoncteur ‘classique’, la commande moteur devra être associée à un contacteur, mais les équipements de démarrage moteur petite et moyenne puissances utilisent le disjoncteur télécommandé qui est un appareil associant la protection magnétothermique et le contacteur. Attention : un discontacteur télécommandé fonctionne comme un télérupteuril lui faut du courant pour se fermer et du courant (voltage) pour s’ouvrir. S’il n’est pas équippé d’un dispositif à coupue automatique (bobine à manque tebnsion) ceci peut être une source « d’incident » Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 153 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.4.4. Sectionneur et interrupteur fusible Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion capable d'ouvrir et de fermer un circuit lorsque le courant est nul ou pratiquement nul afin d'isoler la partie de l'installation en aval du sectionneur. Le sectionneur n'a pas de pouvoir de coupure ou de fermeture. L’interrupteur a un pouvoir de coupure et peut être actionné en charge. La coupure doit être visible soit directement par observation de la séparation des contacts, soit par un indicateur de position si les contacts ne sont pas visibles. Le sectionneur peut-être verrouillable par un cadenas en position ouvert. C'est une sécurité sur un circuit des personnes qui travaillent en aval du sectionneur Figure 159 : Sectionneur Télémécanique Figure 160 : Interrupteur fusible Socomec Figure 161 : Interrupteur fusible Télémécanique Le sectionneur, l’interrupteur doit comporter des contacts auxiliaires (à fermeture) qui viennent se connecter dans le circuit de commande Fusibles : Les fusibles doivent être calibrés en fonction de la puissance du moteur, être rigoureusement identiques et du type « a.m. » ((accompagnement moteur). Attention, en distribution tétrapolaire 3 phases + Neutre. Il n’y a pas de fusible sur le pôle du neutre mais une ‘barre de neutre’ (voir cours ‘électricité’). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 154 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.5. VARIATION DE VITESSE L’entraînement à vitesse variable d’une machine réceptrice peut se faire de deux manières : Transmission entre le moteur tournant à vitesse fixe et l’organe entraîné à vitesse variable, c’est le cas des systèmes mécaniques, hydrauliques ou électroniques. Fonctionnement du moteur à vitesse variable à l’aide de solutions électriques ou électroniques Nous nous adresserons à cette dernière forme de variation de vitesse, la plus utilisée sur nos installations. 12.5.1. Le variateur de tension Ce dispositif n’est utilisé que pour des moteurs asynchrones de petite puissance. Il nécessite un moteur à cage résistante. La variation de vitesse s’obtient en augmentant le glissement du moteur consécutif à la diminution de tension. Son utilisation est assez répandue dans les systèmes de ventilation, de pompes et de compresseurs, applications pour lesquelles sa caractéristique du couple disponible permet un fonctionnement satisfaisant. Les convertisseurs de fréquence devenant très compétitifs remplacent progressivement cette solution. 12.5.2. Variateurs à courant de Foucault Il se compose d’une cloche connectée directement au moteur asynchrone tournant à vitesse constante, et d’un rotor comportant un bobinage alimenté par du courant continu. Figure 162 : Coupe schématique d’un variateur de vitesse à courant de Foucault. Le mouvement est transmis à l’arbre de sortie par couplage électromagnétique. En ajustant l’excitation de ce bobinage, il est possible d’ajuster le glissement de cet ensemble. Une génératrice tachymétrique incorporée permet de contrôler la vitesse avec une bonne précision. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 155 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Un système de ventilation permet d’évacuer les pertes dues au glissement. Ce principe a été largement utilisé dans des engins de levage et en particulier les grues de chantier. Sa constitution en fait un système robuste, sans pièces d’usure et peut convenir pour des fonctionnements intermittents et pour des puissances jusqu’à une centaine de kW. 12.5.3. Groupe Ward Léonard Ce dispositif, autrefois très répandu, est constitué d’un moteur et d’un générateur de courant continu lequel alimente un moteur a courant continu La variation de vitesse s’obtient en réglant l’excitation de la génératrice. Un faible courant de contrôle permet de maîtriser des puissances de plusieurs centaines de kW dans tous les quadrants couple vitesse. Ce type de variateur a été utilisé sur les laminoirs ainsi que sur les ascenseurs de mines. Figure 163 : Schéma d’un groupe Ward Léonard. Cette solution de variation de vitesse était la plus économique et la plus performante avant l’apparition des semi-conducteurs qui l’a rendu obsolète. Le Ward Léonard fait maintenant partie des pièces de musée, il faut simplement savoir que « çà a existé », à titre de souvenir…. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 156 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.5.4. Variation de fréquence La solution en vogue, utilisée dans toutes les puissances. Figure 164 : Schéma de principe du convertisseur de fréquence Un convertisseur statique de vitesse transforme une alimentation alternative triphasée à tension et fréquence fixes en une alimentation alternative à tension et fréquence variables et contrôlées, en passant par un étage intermédiaire continu. Un circuit de contrôle et régulation est chargé de gérer les différentes commutations réalisées à partir des semiconducteurs de puissance. Avantages Contrôle parfait du de la vitesse et du couple Démarrage en douceur Réduction des encombrements et poids des machines entraînées Meilleur rendement que le « tout mécanique » Maintenance plus réduite. Inconvénients Introduction d’éléments dégradant la qualité du réseau (HARMONIQUES) qu’il est parfois nécessaire de Filtrer (FILTRES ANTI HARMONIQUES, d ’où des équipements supplémentaires dans les locaux) Nécessité de déclasser les matériels (moteurs, transformateurs…) Dissipation calorifique significative dans les locaux (besoin climatisation). Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 157 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Chaque constructeur a sa technologie, son système de programmation, son manuel opératoire suivant les gammes de puissance qu’il serait un peu long de reproduire ici… Leroy-Somer Hitachi Danfoss Nitram Figure 165 : Une gamme de variateurs proposés par certains constructeurs Figure 166 : Une gamme de variateurs ‘Altivar’ proposée par Schneider / Télémécanique Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 158 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.6. COMPARAISON SUR L’UTILISATION DES DIFFÉRENTS MOTEURS En conclusion, voyons un récapitulatif de ce qui a été vu au dessus. Le tableau ci-après permet de visualiser très rapidement l’ensemble des moteurs électriques disponibles, leurs principales caractéristiques et leurs domaines d’emploi. Il faut souligner la place tenue par les moteurs asynchrones à cage triphasés dont le qualificatif de « standard » est de nos jours renforcé par une parfaite adaptation à l’emploi consécutive au développement des dispositifs électroniques qui autorisent la variation de vitesse. Asynchrone à cage Type de moteur Asynchrone à bagues Synchrone Rotor à à rotor Pas à pas aimants bobiné permanents A courant continu Triphasé Mono Coût du moteur Faible Faible Élevé Élevé Élevé Faible Élevé Moteur étanche Standard Possible Sur demande, coûteux Sur demande, coûteux Standard Standard Possible Très coûteux Démarrage direct sur le réseau Aisé Aisé Dispositif de démarrage particulier Impossible à partir de quelques kW Non prévu Non prévu Non prévu Variateur de vitesse Facile Très rare Possible Fréquent Toujours Toujours Toujours Coût de la variation de vitesse De plus en plus économique Très économique Économique Très économique Assez économique Très économique Très économique Performance en variation de vitesse De plus en plus élevée Très faible Moyenne Élevée Très élevée Moyenne à élevée Élevée à très élevée Emploi Vitesse constante ou variable En majorité vitesse constante Vitesse constante ou variable Vitesse constante ou variable Vitesse variable Vitesse variable Vitesse variable Universelle Pour les petites puissances En diminution Dans les grandes puissances en moyenne tension Machines outils, forte dynamique Utilisation industrielle Positionneme nt en boucle ouverte pour En diminution les petites puissances Table 11 : Table de comparaison pour l’utilisation des différents moteurs Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 159 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.7. MAINTENANCE 12.7.1. Mesures d’isolement La maintenance préventive, sur site prévoit de mesurer l’isolement des moteurs et leurs câbles d’alimentation au moins une fois par an Cette opération s’effectue avec la ligne et le moteur hors tension et condamnés (consignés) au tableau général de protection 12.7.1.1. Moteur HT (haute tension 5,5 à 6kV) Chaque enroulement est testé par rapport à la terre et entre chaque phase avec un mégohmmètre à la tension de 5000V. Lorsqu’une résistance de chauffage équipe ce moteur (résistance de chauffage), celle-ci est testé à 500V. Au moment du commissionning (moteur neuf) les valeurs sont (Spécifications Total). Enroulements stator : 150 Mégohms. Résistance anti condensation : 10 mégohms. Isolation des roulements : 1 mégohm (protection contre les courants de Foucault). 12.7.1.2. Moteur BT (230 / 400V) Chaque enroulement est testé par rapport à la terre et entre chaque phase avec un mégohmmètre à la tension de 1000V. S’il n’est pas possible de tester chaque phase séparément, les 3 phases ensemble sont mesurés par rapport à la terre. Figure 167 : Schéma de branchement pour la mesure par phase Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 160 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 168 : Schéma de branchement pour la mesure générale Au moment du commissionning (moteur neuf) les valeurs sont (Spécifications Total). Enroulements stator : 10 Mégohms. Résistance anti condensation : 10 mégohms. 12.7.1.3. Câble Basse tension La mesure est effectuée avec un mégohmmètre 1000V pour les câbles à tension de service 380 / 400V, leur isolement devant être à 1kV. Un mégohmmètre à 500v est utilisé pour les autres applications. Figure 169 : Exemple d'un câble (réduction des effets de fuite superficiels) Au moment du commissionning (moteur neuf) les valeurs sont (Spécifications Total). Câbles 400V : 50 Mégohms. Câbles 220 / 230V et en dessous : 10 Mégohms. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 161 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.7.2. Travaux de maintenance ‘lourd’ 12.7.2.1. Remplacement des roulements C’est une opération relativement fréquente. Les roulements doivent faire l’objet d’une attention particulière. Ils doivent être démontés avec un extracteur et remontés à chaud ou avec des outils spéciaux prévus à cet effet. Mise en place des demi-accouplements et poulies. Les demi-accouplements et les poulies seront montés à l’aide de dispositifs et outils adaptés pour ne pas endommager les roulements. Ne jamais utiliser un marteau pour mettre un demi-accouplement ou une poulie en place et ne jamais les retirer en utilisant un levier prenant appui sur la carcasse du moteur. 12.7.2.2. Séchage, étuvage Lorsque l’isolement des enroulements est trop faible, la première « thérapie » est de démonter le moteur, récupérer le stator seul, le nettoyer, et le sécher selon la taille du moteur et ses moyens L’idéal est bien entendu de placer la carcasse dans une étuve, mais pour un moteur de plus grande taille : la pratique est d’utiliser des résistances de chauffage placées à l’intérieur. Lorsque le moteur est sec, il est ré-imprégné avec un vernis électrique adapté Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 162 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12.7.3. Tableau de maintenance du moteur (Troubleshooting) Ci-après quelques « idées » pour entretien et dépannage PROBLEME ORIGINE INTERVENTION Fusibles fondus Remplacez par des fusibles de type et de calibre adéquats. Moteur déclenché sur défaut de surcharge Vérifiez et réarmez la protection au niveau dudémarreur. Alimentation inadéquate Comparer les caractéristiques de l’alimentation réseau aux valeurs de la plaque signalétique du moteur et le facteur de charge. Signalé par un bruit de ronflement lorsque l’interrupteur est fermé. Circuit ouvert dans bobinage ou interrupteur de commande Vérifiez le raccordement des fils. Vérifiez également la fermeture de tous les contacts de commande. Le moteur ne démarre pas Problème mécanique Vérifiez que le moteur et la machine entraînée tournent librement. Vérifiez les roulements et la lubrification. Signalé par des fusibles fondus. Stator court-circuité Le moteur doit être rebobiné. Bobine stator mal raccordée Retirez les flasques du moteur, repérez les connections avec une lampe témoin. Rotor défectueux : Rupture de barreaux ou d’anneaux Changez le rotor. Moteur éventuellement en surcharge Réduisez la charge. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 163 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques PROBLEME ORIGINE INTERVENTION Une phase manquante Vérifiez le raccordement des conducteurs de phase. Changez de type ou de taille de moteur. Moteur inadapté à l’application Consultez le constructeur. Surcharge Le moteur se bloque Tension trop faible Réduisez la charge. Cf. valeur de tension sur la plaque signalétique du moteur. Vérifiez le raccordement. Fusibles fondus Circuit ouvert Le moteur démarre pour ensuite s’arrêter Vérifiez le relais de surcharge, le stator et les boutons-poussoirs. Défaut d’alimentation Vérifiez le raccordement au réseau, les fusibles et le câble de commande. Moteur inadapté à l’application Consultez le fournisseur pour le choix du moteur. Tension trop faible aux bornes du moteur du fait de perturbations réseau Utilisez une tension plus élevée ou un transformateur, ou réduisez la charge. Vérifiez les raccordements. Vérifiez la section des conducteurs. Le moteur n’atteint pas la vitesse désirée Charge de démarrage trop élevée Vérifiez la charge que le moteur peut encaisser au démarrage. Présence de fissures dans la cage rotorique. Barres rotor coupées Changement de rotor conseillé. Circuit primaire ouvert Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Localisez le défaut avec un instrument de contrôle et réparez. Page 164 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques ORIGINE INTERVENTION Charge excessive Réduisez la charge. Tension faible au démarrage Vérifiez la résistance ainsi que la section des câbles d’alimentation trop de courant. Rotor à cage d’écureuil défectueux Remplacez par un rotor neuf. Le moteur tourne dans le mauvais sens Erreur d’ordre des phases Permutez le raccordement des fils au niveau du moteur ou du tableau de distribution. Le moteur s’échauffe anormalement Surcharge Réduisez la charge. Ouvertures de ventilation dans la carcasse ou le support encrassées, empêchant le refroidissement du moteur Ouvrez les ouvertures de ventilation et vérifiez que l’air de refroidissement circule librement. Une phase manquante du moteur Vérifiez le raccordement de tous les conducteurs. Bobine mise à la terre Localisez et réparez. Tension aux bornes déséquilibrée Vérifiez les conducteurs, les raccordements et les transformateurs. Le ventilateur frotte contre le déflecteur d’air Supprimez le problème. Le ventilateur tape contre la Protection Dégagez le ventilateur. Jeu du support de montage Resserrez les boulons de fixation. PROBLEME Le moteur est trop long à accélérer et / ou prélève Le moteur s’échauffe lorsqu’il est en sous charge Bruit de frottement Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 165 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques PROBLEME Le moteur vibre ORIGINE INTERVENTION Défaut d’alignement du moteur Ré-alignez Support de montage insuffisamment rigide Renforcez Accouplement déséquilibré Équilibrez. Machine entraînée déséquilibrée Ré-équilibrez. Roulements défectueux Remplacez Paliers désaxés Ré-alignez. Poids d’équilibre déplacés Ré-équilibrez le moteur. Incompatibilité entre équilibrage du rotor et de l’accouplement (demi clavette- clavette entière) Ré-équilibrez l’accouplement ou le moteur. Moteur polyphasé fonctionne en Monophasé Vérifiez tout circuit ouvert. Jeu axial excessif Ajustez le palier ou insérez des cales. Entrefer non homogène Vérifiez et corrigez le montage des fl asques ou le palier. Rotor déséquilibré Ré-équilibrez Moteur bruyant Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 166 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques PROBLEME Roulements à billes chauds ORIGINE INTERVENTION Arbre tordu ou faussé Redressez ou remplacez l’arbre. Courroie trop tendue Réduisez la tension. Poulies trop éloignées de l’épaulement du moteur Rapprochez la poulie du palier du moteur. Diamètre des poulies trop petit Utilisez des poulies plus grandes. Défaut d’alignement Corrigez l’alignement de l’entraînement. Insuffisance de graisse ou trop de graisse Respectez la quantité de graisse spécifiée pour le roulement. Dégradation de la graisse ou contamination du lubrifiant Enlevez la graisse souillée, nettoyez à fond le roulement dans du pétrole et lubrifiez à la graisse neuve. Excès de lubrifiant Réduisez la quantité de graisse, le roulement ne doit être rempli qu’à moitié. Surcharge palier Vérifiez l’alignement, la pression latérale et axiale. Bille cassée ou pistes de roulement déformées Remplacez le roulement, nettoyez d’abord à fond le corps de palier. Table 12 : Tableau de maintenance du moteur (Troubleshooting) Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 167 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 13. EXERCICES 1. Raccordement étoile-triangle d’un moteur à cage : le réseau est en triphasé 400V, la plaque signalétique indique moteur 380 / 660V, quel est le couplage à faire ? Étoile Triangle 2. Excitation d’une génératrice : il y a 3 types d’excitation sur un alternateur de puissance, choisissez les bonnes définitions ci-après en omettant les ‘fantaisistes’ Système Dahlander Avec génératrice à courant continu Principe des courants de Foucault A polarisation inversée Système Sans balais Avec bloc convertisseur statique Avec moteur accouplé A aimants permanent 3. Utilisation d’un mégohmmètre : quelle précaution prendre lorsque l’on veut tester l’isolement (en général) d’un alternateur) Court-circuiter l’induit Court-circuiter les inducteurs Court-circuiter les enroulements stator Débrancher la plaque à bornes Débrancher les inducteurs excitatrice Court-circuiter les diodes du rotor 4. Contrôle d’un alternateur : quel système régule le courant de champ de l’alternateur Le contrôle de vitesse l’’ AVR Le courant statorique Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 168 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 5. Compléter le tableau ci-après (attention pôles et non paire de pôles) Nombre de pôles Vitesse Fréquence 2 50 Hz 1800 6 60 Hz 1200 750 50 Hz 8 60 Hz 1000 12 600 4 3000 50 Hz 6. Associer la fonction principale avec l’élément de l’alternateur correspondant Produire du courant continu • • Rotor Produire du courant alternatif • • Stator Produire un champ magnétique • • Excitatrice 7. Lequel tourne à vitesse constante ? Le moteur synchrone Le moteur asynchrone Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 169 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 8. Remplacer les mots manquants dans les phrases ci-après. Choisissez les mots dans la liste « en vrac » Liste : La charge - aimant - rotor - une tension - enroulements de champ mécanique - bobine - Induction électromagnétique Phrases : L’alternateur convertit l’énergie …………. en énergie électrique grâce à ………. Pour produire de l’électricité, un générateur doit avoir un ……… et un ………….ayant un mouvement relatif entre eux. L’aimant, généralement un aimant électromagnétique et sa bobine de fils est plutôt appelé ……… L’aimant et son bobinage (pour un alternateur) sont montés sur le …… Le champ magnétique induit ………….. dans les enroulements du stator qui à son tour produit un courant qui alimente …………… 9. Associer le contrôleur avec le contrôlé en les identifiant Tension de sortie Vitesse de l’alternateur Fréquence Courant de champ 10. Dans quelle partie de l’alternateur est le induite la tension de service ? Les balais L’armature Le rotor La bobine de champ 11. Pour la “dynamo de vélo” quand j’effectue une rotation de 1 tour durant 1 seconde je produis une tension induite à la fréquence de 1 hertz. Combien de révolutions par seconde sont nécessaires pour avoir 50 Hz ? Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 170 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 12. La vitesse des machines tournantes s’exprime en RPM (Révolution Par Minute), à quelle vitesse doit tourner la machine en rpm pour avoir du 50 Hz ? 13. La vitesse des machines tournantes s’exprime en RPM (Révolution Par Minute), à quelle vitesse doit tourner la machine en rpm pour avoir du 60 Hz ? 14. L’aimant central en rotation s’appelle-t-il ? Rotor Stator 15. Les bobines captant l’énergie induite (en périphérie) sont dans le « stator » ou le « rotor » ? Rotor Stator 16. Une spire tourne dans un champ magnétique et crée un courant dans une résistance. S’il y a courant, il y a voltage ‘e’ ou ‘fem’ (force électromotrice), de la forme représentée cidessous. Indiquer en face des lettres (a, b, c, d du schéma) le numéro correspondant de la courbe sinusoïdale (de 1 à 7) du schéma cidessous) (a) 6 2 1 3 5 7 (b) (c) 4 (d) En fait, c’est faire correspondre les 4 lettres (a à d) avec les 7 chiffres. Il peut y avoir plusieurs chiffres pour une lettre. Le chiffre est la valeur de ‘e’ (+maxi, 0, -maxi) Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 171 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 17. Quelle est la vitesse de synchronisme en Tr / min pour un alternateur 1 paire de pôles 60 Hz ? 18. Quelle est la vitesse de synchronisme en Tr / min pour un alternateur 3 paires de pôles 50 Hz ? 19. Quelle est la vitesse de synchronisme en Tr / min pour un alternateur 3 paires de pôles 60 Hz ? 20. Quelle est la vitesse de synchronisme en Tr / min pour un alternateur 4 paires de pôles 50 Hz ? 21. Name the different part of this machine : Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 172 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 22. Quelle est la vitesse de synchronisme en Tr / min pour un alternateur 4 paires de pôles 60 Hz ? 23. A quelle vitesse (en Tr / min) doit tourner un alternateur à 2 paires de pôles ‘North american’ pour produire du 60 Hz ? Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 173 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 14. EXERCICES PRATIQUES 14.1. FABRIQUER SON PETIT MOTEUR ÉLECTRIQUE à courant continu A la maison, avec 3 fois rien et avec votre enfant, vous pouvez fabriquer un moteur électrique : ci-après voici la « recette ». Pièces nécessaires pour monter le petit moteur électrique : Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 174 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Étape 1 : Construction de l’inducteur Placer la pièce de l’inducteur sur son support. Utilisant un des deux rouleaux de fil de cuivre, bobiner sur l’inducteur environ 65 tours de fil. Laisser environ 6 cm de fil à chaque bout. Étape 2 : Construction de l’armature Placer les deux pièces de l’armature sur l’arbre du moteur (à 2 cm du bout de l’arbre). Utilisant le deuxième rouleau de fil de cuivre, bobiner sur chaque côté de la pièce environ 30 tours de fil. Laisser environ 6 cm de fil à chaque bout. Utilisant un petit couteau, gratter les deux bouts du fil pour enlever le vernis. Assembler ensemble les deux moitiés du commutateur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 175 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Insérer sur l’arbre du moteur les pièces suivantes : o A un bout : un tube plastique noir de 1cm long. o A l’autre bout : un tube plastique noir de 1cm long, le commutateur (en faisant passer les deux fils dans les deux trous), et un tube de plastique noir de 0.5 cm long. o Couper les bouts de fil qui dépassent. Étape 3 : Montage du moteur Sur la plaque de montage, insérer (dans les trous) les pièces suivantes : o les deux supports de l’arbre o l’inducteur (construit dans l’étape 1) o les deux épingles à papier (ne pas les ouvrir tout de suite) l o les deux supports de la pile. Utilisant un petit couteau, gratter les deux bouts de fil de l’inducteur pour enlever le vernis. Passer un bout dans le trou d’un support de la pile. Tourner le fil pour faire un bon contact. Passer l’autre bout du fil dans une épingle à papier. Tourner le fil pour faire un bon contact. Avec le reste du fil de cuivre, couper une longueur d’environ 10 cm. Gratter les deux bouts du fil pour enlever le vernis. Passer un bout du fil dans l’autre épingle à papier. Tourner le fil pour faire un bon contact. Passer l’autre bout du fil dans le trou de l’autre support à pile. Tourner le fil pour faire un bon contact. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 176 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Retourner la plaque à l’envers. Insérer les deux balais dans les deux petits trous au centre. Insérer les bouts ronds des balais dans les deux épingles à papier. Ouvrir les épingles à papier pour tenir les balais en place. Placer l’armature sur ses deux supports. Il faut s’assurer que le commutateur est entre les deux balais. Il faut s’assurer aussi que les deux fils du commutateur soient bien dénudés de vernis et qu’un bon contact soit fait entre les balais et les fils du commutateur. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 177 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Étape 4 : Essai du moteur Insérer dans les supports à pile une pile AA de 1.5 V. Donner un petit élan dans un sens pour faire tourner l’armature. Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 178 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 15. GLOSSAIRE Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 179 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 16. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1 : Début du XXème siècle. Alternateurs dans une salle hydro-électrique en Hongrie8 Figure 2 : Exemple de moteur électrique .............................................................................8 Figure 3 : Trois moteurs Siemens........................................................................................8 Figure 4 : Rotor d’alternateur ...............................................................................................9 Figure 5 : Stators de moteur / alternateur ............................................................................9 Figure 6 : Boussole ............................................................................................................11 Figure 7 : Recréation champ magnétique ..........................................................................11 Figure 8 : Exemples de batteries .......................................................................................12 Figure 9 : Exemples d’accumulateurs................................................................................12 Figure 10 : Exemples d’UPS..............................................................................................13 Figure 11 : Cellule photovoltaïque .....................................................................................13 Figure 12 : Structure d’une cellule photovoltaïque.............................................................14 Figure 13 : ‘Batterie’ de TEG installé sur plateforme Total (Peciko) ..................................15 Figure 14 : Principe TEG ...................................................................................................15 Figure 15 : Symboles générateurs rotatifs .........................................................................16 Figure 16 : Circuit magnétique d’une machine bipolaire ....................................................16 Figure 17 : Simple générateur de courant continu .............................................................17 Figure 18 : Pulsations de F.E.M. . (‘e’) produites par une génératrice CC .........................18 Figure 19 : Effet du lissage ................................................................................................18 Figure 20 : Montage avec six spires ..................................................................................18 Figure 21 : Machine a courant continue.............................................................................19 Figure 22 : Machine Shunt.................................................................................................20 Figure 23 : Moteur Shunt ...................................................................................................20 Figure 24 : Machine « Série »............................................................................................20 Figure 25 : Moteur série.....................................................................................................20 Figure 26 : Machine “compound” .......................................................................................20 Figure 27 : Principe de la génération courant alternatif .....................................................21 Figure 28 : Spire dans un champ magnétique ...................................................................21 Figure 29 : Production d’un courant alternatif ....................................................................22 Figure 30 : La dynamo de vélo ..........................................................................................24 Figure 31 : Tension induite par un aimant tournant dans une bobine ................................25 Figure 32 : Alternateur à deux paires de pôles ..................................................................26 Figure 33 : Tension / courant redressé simple et signal lissé (redresseur ou dynamo) .....27 Figure 34 : Pont redresseur mono et Pont de Graetz en triphasé......................................28 Figure 35 : Enroulements de l’alternateur ..........................................................................29 Figure 36 : Ensemble stator...............................................................................................31 Figure 37 : Ensemble rotor ................................................................................................32 Figure 38 : Ensemble des principales pièces stator / rotor / excitatrice .............................33 Figure 39 : Principe de construction du pôle interne d’un alternateur monophasé ............36 Figure 40 : Générateur avec enroulements à trois stators : U-X, V-Y et W-Z. ...................37 Figure 41 : Force électromotrice pour chaque enroulement de stator ...............................38 Figure 42 : Vue écorchée d’un générateur CA classique – appareil moteur (turbine, moteur) non representé ..............................................................................................39 Figure 43 : Types de rotor équipant les générateurs à courant alternatif...........................40 Figure 44 : Isolation de paliers...........................................................................................44 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 180 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 45 : Excitation classique .........................................................................................45 Figure 46 : Excitation statique............................................................................................46 Figure 47 : Excitation sans balais – cas général................................................................47 Figure 48 : Excitation sans balais sans excitatrice pilote ...................................................48 Figure 49 : Excitation sans balais avec excitatrice pilote ...................................................48 Figure 50 : Pont de diodes d’un générateur à courant alternatif ........................................49 Figure 51 : Générateur sans balais - exercice ...................................................................51 Figure 52 : Générateur sans balais – solution de l’exercice...............................................52 Figure 53 : Système Delta .................................................................................................53 Figure 54 : Courant et tension dans un système Delta ......................................................54 Figure 55 : Connexions types en delta, générateur trifilaire...............................................55 Figure 56 : Schéma de connexion et disposition des enroulements pour une connexion en étoile ...........................................................................................................................56 Figure 57 : Connexion en étoile .........................................................................................58 Figure 58 : Générateur classique à quatre fils, connecté en étoile ....................................58 Figure 59 : Protection classique d’un générateur comportant une seule ligne...................60 Figure 60 : Exemple de générateur synchronisé sur réseau..............................................61 Figure 61 : Principe de retour de puissance ......................................................................64 Figure 62 : Protection de retour de puissance active.........................................................64 Figure 63 : Représentation schématique du relais de protection de puissance active.......65 Figure 64 : Protection de retour de puissance réactive......................................................65 Figure 65 : Protection contre les pertes d’excitation à l’aide d’un relais de retour puissance réactive. ......................................................................................................................66 Figure 66 : Gestion de la puissance réactive .....................................................................67 Figure 67 : Exemple de générateur diesel de secours.......................................................68 Figure 68 : Générateur à courant alternatif avec régulation de tension .............................70 Figure 69 : Distribution avec plusieurs générateurs en parallèle .......................................71 Figure 70 : Synchronisation d’un générateur .....................................................................72 Figure 71 : Fonctionnement en phase identique................................................................73 Figure 72 : Correspondance des phases – OK !................................................................73 Figure 73 : Rotation de phase correcte, phases correspondantes à connecter ensemble 73 Figure 74 : Différentiel de fréquences 1 .............................................................................74 Figure 75 : Différentiel de fréquences 2 .............................................................................74 Figure 76 : Les deux générateurs fonctionnenent à la même fréquence 1 ........................75 Figure 77 : Les deux générateurs fonctionnent à la même fréquence 2 ............................75 Figure 78 : Différentiel de tension (fréquence correcte) .....................................................76 Figure 79 : Deux rotors avec deux pôles nord / phases face à face dans la même direction à un instant ‘t’ .............................................................................................................77 Figure 80 : Phases ‘A’ en opposition à 0 et 180° et en opposition identique à 90 et 270° .78 Figure 81 : Générateurs pour synchroniser un déphasage à 30° ......................................78 Figure 82 : En phase 0) déphasage entre les deux générateurs .......................................79 Figure 83 : déphasés de 90° ou déphasage de 90°...........................................................79 Figure 84 : déphasé de 120° ou déphasage de 120°.........................................................79 Figure 85 : déphasé de 180° ou déphasage de 180°.........................................................80 Figure 86 : Alternateur monophasé, couplage par lampes ................................................81 Figure 87 : Valeur algébrique de ‘E’ (en grandeur vectorielle) ...........................................81 Figure 88 : Variations de E ................................................................................................81 Figure 89 : Couplage avec lampe d’un alternateur triphasé...............................................82 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 181 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 90 : Exemple avec « ordre des phases loupé”........................................................83 Figure 91 : Exemple avec le système de chez ABB, complet et compact SYNCHROTACT CSS prêt pour le montage ..........................................................................................84 Figure 92 : Schéma de principe de l’appareil.....................................................................85 Figure 93 : Distribution de charge sur des générateurs identiques....................................86 Figure 94 : Générateurs non identiques ............................................................................87 Figure 95 : Commande de répartition des charges et de vitesse.......................................87 Figure 96 : Commande automatique de chargement de générateur .................................88 Figure 97 : Schéma type du principe de répartition des charges ......................................88 Figure 98 : Forme de réponse isochrone pour une fréquence sur une barre de bus .........89 Figure 99 : Réponse régressive.........................................................................................90 Figure 100 : Exemple de réglages en mode statisme........................................................90 Figure 101 : Ensemble pont de diodes sur un générateur sans balais ..............................92 Figure 102 : Redresseur classique de type ‘1’ ...................................................................95 Figure 103 : Redresseur classique de type ‘2’ ...................................................................95 Figure 104 : Utilisation d’une varistance sur un alternateur Leroy Somer..........................96 Figure 105 : Coupe d’un moteur synchrone à aimants permanents ................................101 Figure 106 : Moteur synchrone à aimants à un seul sens de rotation « SAIA »...............102 Figure 107 : Moteur synchrone monophasé à aimants : coupe [Alten 94], « Mabuchi »..102 Figure 108 : Moteur synchrone améliorant le cos φ d’une installation .............................104 Figure 109 : Échelons de courant appliqués aux bobines d’un moteur pas à pas pour réduire son pas. ........................................................................................................107 Figure 110 : Couple maximal en fonction de la fréquence du pas. ..................................108 Figure 111 : Moteur Lavet monophasé pour l’horlogerie ‘Minot 98’ et ’Seiko’..................108 Figure 112 : Structure à aimants diphasée à induit à griffes. ...........................................109 Figure 113 : Moteur à aimant disque Portescap (Oudet 81)- (Kenjo 92) .........................109 Figure 114 : Moteur pas à pas hybride Vexta, 200 pas par tour, 2 phases......................110 Figure 115 : Création d’un courant induit dans une spire en court-circuit. .......................111 Figure 116 : La règle des trois doigts de la main droite pour trouver la direction de la force. .................................................................................................................................112 Figure 117 : Principe d’un moteur asynchrone triphasé...................................................112 Figure 118 : Champs générés par les trois phases. ........................................................112 Figure 119 : Stator d’un moteur asynchrone....................................................................115 Figure 120 : Rotor (à cage d’écureuil) d’un moteur asynchrone ......................................116 Figure 121 : Éclaté d’un moteur à cage ...........................................................................117 Figure 122 : Courbes couple / vitesse suivant les types de rotors à cage (à Un). ...........118 Figure 123 : Vue éclatée d’un moteur asynchrone à rotor à bagues ...............................120 Figure 124 : Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone monophasé. .............121 Figure 125 : Condensateur permanent Moteur biphasé ..................................................122 Figure 126 : Condensateur permanent 1 / 3-2 / 3 ............................................................123 Figure 127 : Schéma à relais d'intensité et condensateur de démarrage. .......................123 Figure 128 : Séquence caractéristique de démarrage moteur bi à relais et condensateur .................................................................................................................................124 Figure 129 : Condensateur de démarrage .......................................................................124 Figure 130 : Moteur tri en mono : phase principale= 1 phase & Phase auxiliaire = 2 phases .................................................................................................................................125 Figure 131 : Moteur tri en mono – version couplage triangle ...........................................126 Figure 132 : Moteur tri en mono – rack convertisseur de phase ......................................127 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 182 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques Figure 133 : Moteur tri en mono - Convertisseur triphasé de la marque ISOMATIC (UK)128 Figure 134 : Production d’un couple dans un moteur à courant continu. .........................130 Figure 135 : Courbes couple / vitesse d’un moteur à excitation séparée.........................131 Figure 136 : Schémas des différents types de moteurs à courant continu.......................132 Figure 137 : Plaque à bornes d’un moteur de taille ‘moyenne’ ........................................134 Figure 138 : Arrangement étoile-triangle des enroulements stator, 6 bornes sorties.......134 Figure 139 : Plaque à bornes d’un moteur à raccorder....................................................135 Figure 140 : Sens de rotation « conventionnel » d’un moteur..........................................135 Figure 141 : Couplage Dahlander triangle / étoile (pour couple constant) .......................136 Figure 142 : Couplage Dahlander étoile / étoile-étoile (pour couple quadratique) ...........136 Figure 143 : Exemple de plaque signalétique de moteur Leroy-Somer ...........................138 Figure 144 : Exemple de plaque signalétique de moteur ABB.........................................139 Figure 145 : Vue éclatée d’un moteur à cage d’écureuil avec degré de protection IP 54 140 Figure 146 : Motor with Air-Air exchanger / Moteur à circulation d’air............................140 Figure 147 : Open motor with or without filter / Moteur ouvert avec ou sans filtre .........141 Figure 148 : Motor with Air pulse cooler / Moteur à refroidissement par air forcé ..........141 Figure 149 : Motor with Air-Water exchanger / Moteur avec échangeur air - eau............141 Figure 150 : Les impératifs de fabrication du moteur ‘Ex’ à sécurité augmentée ‘e’ .......143 Figure 151 : Courant de démarrage d’un moteur à cage .................................................147 Figure 152 : Schéma de câblage Démarrage direct - discontacteur ...............................147 Figure 153 : Schéma de câblage mono- Démarrage contacteur ....................................148 Figure 154 : Circuit de puissance et circuit de commande...............................................149 Figure 155 : Circuit de puissance – Schéma démarrage étoile triangle – circuit de commande................................................................................................................150 Figure 156 : Protection thermique....................................................................................152 Figure 157 : Protection électromagnétique ......................................................................152 Figure 158 : Représentation schématique du disjoncteur unipolaire. ..............................153 Figure 159 : Sectionneur Télémécanique ........................................................................154 Figure 160 : Interrupteur fusible Socomec .......................................................................154 Figure 161 : Interrupteur fusible Télémécanique .............................................................154 Figure 162 : Coupe schématique d’un variateur de vitesse à courant de Foucault..........155 Figure 163 : Schéma d’un groupe Ward Léonard. ...........................................................156 Figure 164 : Schéma de principe du convertisseur de fréquence ....................................157 Figure 165 : Une gamme de variateurs proposés par certains constructeurs..................158 Figure 166 : Une gamme de variateurs ‘Altivar’ proposée par Schneider / Télémécanique .................................................................................................................................158 Figure 167 : Schéma de branchement pour la mesure par phase ...................................160 Figure 168 : Schéma de branchement pour la mesure générale .....................................161 Figure 169 : Exemple d'un câble (réduction des effets de fuite superficiels) ...................161 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 183 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 17. SOMMAIRE DES TABLEAUX Table 1 : Relation fréquence et tension .............................................................................30 Table 2 : Matériaux isolants ...............................................................................................42 Table 3 : Système de codage des méthodes de refroidissement ......................................43 Table 4 : Couple de montage des semiconducteurs..........................................................94 Table 5 : Dépistage des pannes d’un générateur ..............................................................98 Table 6 : Les trois types de moteurs pas à pas ...............................................................106 Table 7 : Fréquence en fonction de la vitesse de rotation du champ tournant.................114 Table 8 : Valeurs de C .....................................................................................................126 Table 9 : Utilisation d’un moteur 50 Hz en 60 Hz.............................................................145 Table 10 : Exemple de conversion 50 Hz / 60 Hz ............................................................146 Table 11 : Table de comparaison pour l’utilisation des différents moteurs ......................159 Table 12 : Tableau de maintenance du moteur (Troubleshooting) ..................................167 Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 184 de 185 Exploration & Production Les Équipements Générateurs et Moteurs Électriques 18. CORRIGÉ DES EXERCICES Support de Formation EXP-PR-EQ150-FR Dernière Révision : 18/04/2007 Page 185 de 185
