Cours_ELN_deP1 - E

Université Ibn Khaldoun de Tiaret
Institut de formation supérieure IFST –Ksar Chellala
Module ETT et ELN de P
Spécialité GIM 1er année
Cours : ETT et ELN de P
Contenu du Module :
Chapitre1 : Réseau électrique triphasé
I.1 Introduction
I.2 Réseau électrique triphasé
I.3 Circuit triphasé
I.4 Tension simple et tension composée
I.5 Système triphasé équilibré
I.6 Ligne triphasée équilibrée
I.7 Représentation de Fresnel
I.8 Couplage étoile et couplage triangle
I.9 Calcul des puissances
I.10 Mesure des puissances
I.11 Le Neutre
Chapitre2 : Circuit Electromagnétique
II.1 Introduction
Avril- 2012
Responsable Mr T. Benmiloud
Avril 2012
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Module ETT et ELN de P
Avril- 2012
Responsable Mr T. Benmiloud
Chapitre 1 : Réseau triphasé
Transformat
MT/HT
Centrale
électrique
Poste
Electrique(MT/BT)
Transformat
MT/HT
L1
L2
L3
N
5,5 KV
Production électrique
30 KV Réseau triphasé
5,5 KV
Transport électrique
Bâtiments
(BT)
Φ 220 KV
N
Réseau monophasé
Distribution électrique
Figure 1 : réseau électrique
Dans ce module nous allons répondre principalement à 5 questions :
Q1) Pourquoi l’énergie électrique est transportée sous forme de réseau triphasé ?
Q2) Pourquoi on augmente la tension électrique lors du transport de l’énergie électrique ?
Q3) Pourquoi on ajoute souvent un 4ème fil (le neutre N) dans le réseau triphasé ?
Q4) Pourquoi on calcule les courants et les puissances (actives et réactives) dans les différentes
phases du réseau électriques ?
I.1 Introduction
L’énergie électrique est produite dans les centrales électriques sous forme de source d’énergie
triphasée (l’alternateur est triphasé). Elle est destinée principalement pour les dites industriels
(réseau triphasé implique grande puissance) qui contiennent des moteurs électriques, des chauffages
électriques.
Réseau monophasé provient du réseau triphasé (on prend une phase du réseau triphasé avec le
Neutre). Le réseau monophasé est destiné pour les petites entreprises et les bâtiments (villes).
Le but de ce module est la représentation des circuits triphasés afin de calculer les courants des
différentes phases du circuit, ce qui permettra de ;
1- le calcul de l’énergie active et l’énergie réactive (compensation de l’énergie réactive).
2- Le calcul des courants des différentes phases permet aussi de savoir l’état du réseau
triphasé : s’il s’agit d’un réseau triphasé équilibré ou bien d’un réseau triphasé déséquilibré...
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I.2 Réseau électrique triphasé : Il est composé de trois parties ;
1- Production électrique : la centrale électrique transforme la matière première (gaz, fuel, …) en
énergie cinétique qui fait tourner l’alternateur qui va transformer cette énergie en énergie
électrique triphasée (MT).
2- Transport électrique : achemine l’énergie électrique sous Haute tension HT (30 KV et plus)
vers les postes électriques de distribution via des câbles aériens ou souterrains.
3- La distribution électrique : subdivise l’énergie électrique depuis les postes de transformation
jusqu’au consommateur. Effectue le comptage pour assurer la facturation.
Vers le
consommateur BT
Poste électrique
Tr – MT/BT
L1
L2
L3
N
M
Souterrain MT
Figure# : Poste électrique
N : relié aux trois phases du circuit triphasé, utilisé pour la protection des appareils électriques et pour la consommation
monophasée.
M : la carcasse des appareils électriques reliée à a masse (prise de la terre) pour la protection du personnel technique.
R2) on augmente la tension pendant le transport car :
Transformat
MT/HT
Centrale
électrique
Transformat
MT/HT
Réseau triphasé (10 Km)
5 KV
30 KV
5 KV
ΔPJ= Rconduct I2 : pertes du transport
P1= U1xI1 = 30 MW
P1= U2xI2
La tension est sensé rester constante, ce qui va changer c’est le courant à cause des pertes Joule
dans les fils électriques pendant le transport :
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avec : ΔPJ = Rconduct I2
P1= P2+ΔPJ
Ainsi, pour diminuer ces pertes on va augmenter la tension avec un transformateur. Et puisque la
puissance produite reste la même des deux coté du transformateur. Donc l’augmentation de la
tension incluse une diminution du courant.
I.3 Circuit triphasé :
Il est composé de trois sources de tension sinusoïdales (e1= VaN, e2, e3) de même fréquence. Ces
trois sources de tension sont connectés selon la configuration étoile (Y). (#pas dalternat sous
configurat triangle !!).
Source triphase
charge triphase
a
Ia
a
Vab
b
VaN
vc c
vca
vbc
Zc
Ib
Zb
Ic
VbN
Za
VcN
N’
N
Fig2 : Représentation d’un réseau triphasée
Avec ; e1(t) = Emax cos ( t)
= Eeff 2 cos (t)
Emax : valeur maximale de la tension alternative de la première source de l’alternateur.
Les sources de tension sont reliées à une charge triphasée composée de trois impédances : Za, Zb, Zc.
Un 4ème fil relie les point N de la source au point N’ de la charge (ce n’est pas toujours le cas).
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I.4 Tension simples et tension composée
 Les tensions simples notées Va, Vb, Vc sont les tensions entre chaque phase et le Neutre.
VaN = Va – VN.
VbN = Vb – VN.
VcN = Vc – VN.
 Les tensions composées notées Vab, Vbc, Vca sont les tensions entre deux phases.
Vab = Va – Vb.
Vbc = Vb – Vc.
Vca = Vc – Va.
I.5 Système triphasé équilibré
Le système triphasé est équilibré lorsqu’il est formé de trois tensions ayant la même fréquence, la
même valeur efficace et un déphasage de 2/3 entre deux tensions consécutives du système
triphasé. Soit ;
v aN (t) = Us 2 cos (t) ……………………….# à t=0 il y a une tension maximale Van
v bN (t) = Us 2 cos (t-2/3) ……dans schéma de Fresnel : puisque + dans sens AV donc ca sera -2/3
v cN (t) = Us 2 cos (t-4/3)
V aN = Us 90°
V bN = Us -30°
V cN = Us -150°
Avec Us : la tension simple du système triphasé.
Uc : tension composée
La relation entre ces deux tension est Uc= 3 Us (calculée à partir de la représentation de
Fresnel …qui es une représentation vectorielle)
Dans le cas d’un système triphasé équilibré : VaN = VbN = VcN = Us (valeur efficaces)
Vab = Vab = Vab =Uc
I.6 Lignes triphasés en régime équilibré
Une ligne triphasée est composée de trois fils identiques appelés phases en régime équilibré (syst tri
eq), ces trois fils son traversés par des courants d’intensité Ia, Ib, Ic de même amplitude, avec un
déphasage de 2/3 entre les courants de deux phases consécutives. Le déphasage entre le courant Ia
et la source ea est donné par une angle .
i a (t) = lL 2 cos (t-) =
i b (t) = lL 2 cos (t--2/3)
i c (t) = lL 2 cos (t--4/3)
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I.7 Représentation de Fresnel : A chaque tension sinusoïdale nous associons un vecteur de Fresnel.
Avec les trois tensions simples nous obtenons le diagramme suivant : # pas de Vax(2 !! )
Va
Va
+
+
2/3
2/3
Vbc
N
Vc
Vb
Vbc
N
Vc
Vbc
Vb
Vbc =3. Vb
Fig3 : Diagramme de Fresnel pour la représentation des tensions d’un réseau triphasé
A partir de cette configuration on peut construire le diagramme de Fresnel pour les tensions
composée Vab = Va – Vb est obtenue par l’addition du vecteur Va avec le vecteur –Vb
Le système des tensions composé est en avance de /6 sur le système des tensions simples. Ainsi, et
en effectuant le calcul de la valeur absolue du vecteur Vab on retrouve Uc= Us 3.
La tension Vbc est prise comme une référence (son angle est = 0°) pour le calcul des angles des
différents vecteurs.
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Système directe –et système invesre : Un système triphasé est direct si il y a un retard de 2/3 de la
tension Vb par rapport à la tension Va. Dans le cas contraire c’est un système triphasé
inverse.
I.8 Couplage triangle et étoile de la charge
La charge triphasée peut être reliée soit en étoile ou en triangle (selon les besoins) :
a. Couplage étoile (Y) : En couplage Y chaque charge Zi est traversée par le courant de ligne (Ia =
IL), et la tension aux bornes de cette charge est la tension simple Us.
Van
Ia =IL
Za
Ia
Zb
N
N’
Zc
Fig 3 : Système triphasé équilibré avec une charge montée en étoile
Ia : le courant qui traverse la charge a est : Ia= ILa
Za = VaN/Ia = Us/IL
avec : VaN = Us
b. Couplage étoile (Δ) : Si la charge triphasée est reliée en triangle chaque charge est soumise à
une tension compose :
Za = Vab/J
Za est branchée entre les deux points a’ et b’ qu’on appel une branche.
Le courant qui traverse les charges Za, Zb, Zc, n’est plus le courant de ligne (IL).
IL a
a
a'
J3
J1
Zb
Za
c
b
IL b
IL c
Zc
J2
Fig 4 : Système triphasé équilibré avec une charge montée en triangle
En appliquant la loi des nœuds dans le point (a’), on retrouve ; ILa = J1 – J3, ILb = J2 – J1, ILc = J3 – J1
La représentation de Fresnel des courants est analogue à celle des tensions. A partir de cette
représentation on retrouve. I= J3.
Dans le cas du couplage triangle d’une charge, il n’y a pas de possibilité d’avoir un 4ème fil pour le
réseau qui relie N à N’.
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I.9 Calcul des puissances : Une charge triphasée équilibrée peut être considérée comme
l’association de trois charges monophasées identiques. Ainsi la puissance active reçue par l’ensemble
(la charge triphasée) est donc égale à la somme des puissances actives reçues par ces trois charges
monophasées.
Pa = Ra Ia
…… pour une charge purement résistive.
P3Φ = Pa+Pb+Pc= 3 x Pa = 3 x Ra Ia.
De même ; une charge triphasée peut être considérée comme l’association de trois générateurs
monophasés identiques. Ainsi, la puissance active fournie par la source triphasée est égale à la
somme des puissances actives fournie par ces trois générateurs monophasés.
Couplage étoile :
En couplage (Y) : chaque charge est soumise à une tenion simple VZa = Us
chaque charge est traversée par un courant de phase Za =Us/IL.
Ainsi, la puissance consommée dans une charge monophasée :
Pa = Us IL cos φ
φ : déphasage entre la tension Us et le courant IL due à l’inductance de
l’impédance Za
Et la puissance totale de la charge triphasée :
Ptotale = P3Φ = 3 Us IL cos φ
[Watt]
La puissance réactive du circuit triphasé est : Q3Φ = 3 Us IL sin φ
La puissance apparente du circuit triphasé est : S3Φ = 3 Us IL
[VAR]
[VA]
Et comme Uc = 3 Us, les relations précédentes s’écrivent de la façon suivante :
P3 = 3 Uc IL cos φ
Q3 = 3 Uc IL sin φ
S3 = 3 Uc IL
Couplage triangle :
En couplage (Δ) : chaque charge est soumise à une tension composée VZa = Uc
chaque charge est traversée par un courant d’intensité J = I/3
(donc : Za =Uc/J).
La puissance active du circuit triphasé est : P3Φ = 3 Uc J cos φ
La puissance réactive du circuit triphasé est : Q3Φ = 3 Uc J sin φ
La puissance apparente du circuit triphasé est : S3Φ = 3 Uc J
Φ : étant le déphasage entre le courant J dans une branche par rapport à la tension composée Uc
appliquée à cette branche.
Remarque : quelque soit le montage de la charge triphasée les formules des puissances active,
réactive et apparente sont les mêmes. Ainsi, si on demande de calculer la puissance d’une charge
triphasée on ne cherche pas de quel couplage il s’agit.
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I.10 Mesure des puissances :
a. Dans le cas d’une ligne à 4 fils,
le neutre est accessible. Il est possible de mesurer la puissance active pour chaque phase : la
wattmètre, branché entre la phase (a) et le Neutre, mesure la puissance fournie entre les bornes (a)
et le Neutre.
Pa = 3 VaN Ia cos φa
Φa : le déphasage entre le courant Ia et la tension simple VaN.
Pb = 3 VbN Ib cos φb
Pc = 3 VcN Ic cos φc
Wa
VaN
Wb
VbN
Ia
a
Ib
b
Ic
c
Wc
VcN
N
Fig 5 : Couplage des wattmetre pour la mesure des puissances d’une charge triphasée
Les wattmètres W2et W3 mesurent les puissances fournies respectivement entre les bornes (b) et le
N et les bornes (c) et le N.
La puissance active totale transmise par le réseau triphasé est ;
P3 = Pa + Pb + Pc
En régime équilibré : Ia= Ib= Ic = IL
VaN = VbN = VcN = Us
φa= φb= φc = φ
Donc si le système est parfaitement équilibré, un seul wattmètre est suffisant pour calculer la
puissance totale P3 du circuit triphasé.
b. Dans le cas d’une ligne à 3 fils,
La méthode dite des deux wattmètres permet la mesure de la puissance active transmise par la ligne.
Wa
Vab
Wb
Vbc
Ia
a
Ib
b
Ic
c
Vac
Le wattmètre Wa mesure une puissance fictive qui serait fournie par la ligne (a) sous la tension
composée Uac :
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P’a = Uac Ia cos ( ,
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)
Le wattmètre Wb mesure une puissance fictive qui serait fournie par la ligne (b) sous la tension
composée Ubc :
P’b = Ubc Ib cos ( ,
)
On démontre que la somme P’a+ P’b est égale à la puissance active P transmise par le réseau
triphasé :
P = P’a + P’b
On peut éviter d’utiliser deux wattmètres en utilisant un wattmètre associé à un commutateur ou
bien changer la position du wattmètre.
I.11 Le Neutre :
Le neutre de la charge triphasée est relié avec le neutre de la source (N et N’) dans le cas d’un
couplage étoile. Pour le cas d’un couplage étoile avec charge équilibrée, les courants Ia + Ib + Ic
constituent un système équilibré, et la somme des courants sera nulle :
Ia + Ib + Ic =IN = 0 A
Dans ce cas même si on relie N à N’ le courant dans le neutre sera nul.
Si la charge triphasée est déséquilibrée (les impédances Za, Zb, Zc sont différentes), les courants (Ia +
Ib + Ic) ne constituent plus un système équilibré, et leur somme n’est pas nulle :
Ia + Ib + Ic = IN ≠ 0 A
Le fil qui relie N à N’ est parcouru par un courant non nul : on dit que le régime est déséquilibré.
Quand les deux points N et N’ sont reliés entre eux, la tension de ces deux point sera la même (pour
système équilibré ou pas).
Si on a un système déséquilibré et les deux points N et N’ ne sont pas relié, alors le potentiel de ces
deux points ne sera pas le même : dans ce cas, en plus des courants qui ne constituent pas un
système équilibré, les tensions des trois phases de la charge triphasée ne vont plus constituer un
système équilibré ; ces trois phases seront donc soumise à des tensions supérieures ou inferieure à la
tension simple Us. Or les charges son généralement conçues (choisie) pour supporter une tension
nominale Us, certaines charges peuvent être détériorés suite a une surtension trop importante.
a
Va
N
Vc
N’
c
Vb
b
Fig 6 : Tensions des charges pour un système triphasé désequilibré avec un Neutre non relié
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Ainsi, on voit l’intérêt de relier le neutre à la terre. En réalité le problème du neutre ne se pose que
pour les déséquilibres importants dus principalement a des courts circuit accidentels. On distingue
trois possibilités pour le Neutre d’un réseau triphasé ;
1- Neutre de la source relié directement à la terre.
2- Neutre mis à la terre par l’intermédiaire d’une impédance.
3- Neutre isolé de la terre.
Le chois entre ces trois possibilités est liés a des stratégies de protection du personnel. Chacune des
trois méthodes présente des avantages et des inconvénients.