les équipements générateurs et moteurs électriques

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
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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

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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

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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

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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