Lycée technique Mohammedia Année scolaire : 2011-2012 Cours des sciences de l’ingénieur Chaine d’énergie Module A.D.C. Nom et prénom : ……………………………. Classe : 2STE… www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE CHAINE D’ENERGIE : UNITE A.D.C. I. Présentation Pour agir sur la matière d'œuvre, un système automatisé a besoin d’énergie, qui subira de nombreux traitements pour être adaptés à la nature de l'action sur la matière d'œuvre. L’unité ADC traite donc de ces aspects qui peuvent être modélisés par les fonctions génériques qui s'appliquent sur la plupart des systèmes ; il s'agit des fonctions : Alimenter ; Distribuer ; Convertir; Informations CHAÎNE D’INFORMATION Grandeurs physiques, consignes Traiter Acquérir Communiquer Messages MO Ordres Alimenter Distribuer Convertir Transmettre Agir Unité ADC CHAÎNE D’ENERGIE - Système triphasé Postes de transformation Transformateurs Protection des biens et des personnes SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C - Convertisseurs statiques : Redresseurs Onduleur monophasé Gradateur - Variateurs industriels pour - Moteur asynchrone - Distributeur proportionnel page 1/65 - Machine synchrone - Moteur asynchrone - Moteur pas à pas - Vérins MO+VA www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Réseau triphasé équilibré Définition Un système triphasé est un réseau à trois grandeurs (tensions ou courants) sinusoïdales de même fréquence et déphasées, les unes par rapport aux autres, d’un angle de 120°. Le système est équilibré si les grandeurs sinusoïdales sont de même valeur efficace. Il est direct si les phases sont ordonnées dans le sens trigonométrique et inverse dans l'autre cas. Tensions délivrées Représentation temporelle de ces tensions 1 V1 2 U12 V2 3 U31 U23 V3 N Tensions simples Ce sont les d.d.p entre les divers conducteurs de phase et de point neutre (réel ou fictif) : v1, v2, v3. Ecriture complexe (polaire) Ecriture temporelle v1(t) = V √2 sin (ωt) v2(t) = V √2 sin (ωt-2π/3) v3(t) = V √2 sin (ωt- 4π/3) Tensions composées V1 = [ V , 0°] V2 = [V , -120°] V3 = [V, -240°] Ce sont les d.d.p entre les conducteurs des phases consécutives: U12, U23, U31. Voici le détail du calcul pour la tension U12 : U12 =V1 -V 2 = [ V√3, + π/6 ]. En effectuant les mêmes opérations pour les autres tensions Ecriture complexe (polaire) Ecriture temporelle U12 =V1-V2 = [V√3, + 30°] U23 =V2-V3 = [V√3, - 90°] U31 =V3-V1 = [V√3, + 150°] u12 (t) = V√3√2 sin (ωt+ π/6) u23 (t) = V√3√2 sin (ωt- π/2) u31 (t) = V√3√2 sin (ωt- 7π/6) Représentation vectorielle de Fresnel des tensions A partir des expressions définies précédemment, il est possible de représenter les différentes tensions. La représentation vectorielle de Fresnel des tensions : U12 V3 U31 V1 U Origine des phases -2/3 V2 V Triangle des tensions U23 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C 120° 30° page 2/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Remarque : On voit ainsi apparaître un nouveau système de tensions triphasées : u12, u23, u31. La relation qui existe entre l'amplitude V et U se calcule facilement à partir du triangle des tensions : 2.V.cos(/6) = U c'est à dire : U= 3 .V Ainsi, un système triphasé à basse tension sur le réseau est intitulé : 220V/380V, 220V représentant la tension simple efficace et 380V la tension composée efficace. Récepteurs triphasés équilibrés Définitions Récepteurs triphasés : ce sont des récepteurs constitués de trois éléments identiques, d’impédance Z. Equilibré : car les trois éléments sont identiques. Courants par phase : c’est le courant qui traverse les éléments Z du récepteur triphasés. Symbole : J Courants en ligne : c’est le courant dans les fils du réseau triphasé. Symbole : I Le réseau et le récepteur peuvent se relier de deux façons différentes : en étoile ou en triangle. Récepteur j1 Z j2 Z j3 Z Réseau i1 1 2 i2 3 i3 N Couplage étoile Montage 1 2 3 N i1 Z i2 Z i3 j1 v2 v1 j2 Z v1 i1 j3 v2 v3 v3 i2 Même branchement représenté de deux façons différentes. Le premier schéma explique le terme «étoile». i3 Comme il s’agit des mêmes impédances, de ce fait i1 + i2 + i3 = 0, donc iN = 0. Le courant dans le fil neutre est nul. Le fil neutre n’est donc pas nécessaire. Pour un système triphasé équilibré, le fil neutre ne sert à rien. 1 2 3 i1 Z i2 Z i3 Z v1 v2 v3 j1 j2 j3 Fil neutre est supprimé N Relations entre les courants On constate sur les schémas précédents que les courants en ligne sont égaux aux courants par phase. i1 = j1 ; i2 = j2 ; i3 = j3 De plus la charge et le réseau sont équilibrés, donc : I1 = I2 = I3 = I = J On retiendra pour le couplage étoile : I = J SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 3/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Couplage triangle Montage 1 2 3 i1 i2 i3 j1 u12 j2 Z 2 j3 Comme il s’agit des mêmes impédances, i1 + i2 + i3 = 0 et j1 + j2 + j3 = 0 Ici en aucun cas le fil neutre n’est nécessaire. Relations entre les courants D’après les schémas du montage triangle : i1 = j1- j3 => I1 = J1 - J3 i2 = j2- j1 => I2 = J2 - J1 i3 = j3- j2 => I3 = J3 - J j1 u12 Z Z u23 i1 1 i2 j2 u31 u23 j3 i3 3 Le système triphasé est équilibré : I1 = I2 = I3 = I et J1 = J2 = J3 = J. Pour le couplage triangle, la relation entre I et J est la même que la relation entre V et U. Pour le couplage triangle : I = √3 J Réseau triphasé déséquilibré Un récepteur est non équilibré s’il est constitué de trois impédances différentes Z1, Z2 et Z3, couplées en étoile ou en triangle. Couplage étoile avec neutre On détermine la somme des trois courants en ligne, c'est à dire le courant dans le neutre, dans la charge étoile déséquilibrée : IN = I1 + I2 + I 3 = V1 V2 V3 + + Z1 Z2 Z3 1 2 3 Cette somme n'est plus nécessairement nulle : Un courant circule dans le conducteur de neutre. IN ≠ 0 N i1 Z1 i2 Z2 i3 Z3 v1 v2 v3 iN Couplage triangle On détermine les courants I1, I2 et I3 à partir des courants J1, J2 et J3 calculés par : i1 = j1- j3 => I1 = J1 - J3 i2 = j2- j1 => I2 = J2 - J1 i3 = j3- j2 => I3 = J3 - J2 La relation I =√3 J n’est plus valable car le système est déséquilibré. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 4/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Puissances en triphasé Théorème de Boucherot (rappel) Les puissances active et réactive absorbées par un groupement de dipôles sont respectivement égales à la somme des puissances actives et réactives absorbées par chaque élément du groupement. Remarque : Ce théorème ne s'applique pas aux puissances apparentes, que l'on ne peut cumuler (la puissance apparente est une somme complexe, de composantes pas nécessairement en phase). Charge triphasée déséquilibrée (ou quelconque) Donc d’après ce théorème, la puissance active absorbée par le récepteur est la somme des puissances véhiculées par chaque phase : P = P1 + P2 + P3 En cas de charge déséquilibrée, tensions et courants sont déphasées de φ1, φ2 ou φ3 suivant les phases. La puissance active est: P = V1I1 cos φ1 + V2I2 cos φ2 + V3I3 cos φ3 Et la puissance réactive s'écrit alors : Q = V1I1 sin φ1 + V2I2 sin φ2 + V3I3 sin φ3 Charge triphasée équilibrée Si la charge est équilibrée, les trois impédances sont identiques, donc : φ1 = φ2 = φ3 = φ ; En résumé, la puissance peut toujours être exprimée de la même manière avec les grandeurs en tête de réseau, tension composée U et courant en ligne I et ceci quelque soit le type de montage. V1 = V2 = V3 = V et I1 = I2 = I3 = I. La puissance active a pour expression : P = 3VI cos φ La puissance réactive est : Q = 3VI sin φ. La puissance apparente se déduit de la relation : S = √P2 +Q2 = 3VI P = √3UI cos φ Q = √3UI sin φ S = √3UI Mesure de puissance en triphasé Circuit équilibré Il suffit de mesurer la puissance consommée par une phase et de multiplier par trois. Un seul Wattmètre est nécessaire. P=3.P1N 1 2 3 N W Circuit déséquilibré Il faut mesurer les puissances consommées par les trois phases et additionner. Trois wattmètres sont nécessaires. P = P1N + P2N + P3N 1 W1 2 W2 3 W3 N Méthode des deux Wattmètres Le montage des deux wattmètres que le système soit équilibré ou non. (La seule condition est qu’il n’y ait pas de fil neutre). P = P13+ P23 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C 1 W1 2 W2 3 page 5/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Méthode des deux Wattmètres en régime équilibré Les indications des wattmètres donnent : P13 = U13 I1 cos ( I1 , U13 ) = U I cos (φ-π/6 ) P23 = U23 I2 cos ( I2 , U23 ) = U I cos (φ+π/6 ) V3 On peut vérifier directement que: P13 + P23 = UI[cos (φ - π/6 ) + cos (φ + π/6 ) ] = UI[ 2.cosφ.cos π/6 ] = √3 UI cos φ P13 + P23 = P P13 - P23 = UI[cos (φ - π/6 ) - cos (φ + π/6 ) ] = UI[ 2.sinφ.sin π/6 ] = UI sin φ P13 - P23 = Q/√3 Donc Q = √3 (P13 - P23) φ I2 V1 I1 φ-π/6 φ φ+π/6 U13 V2 U23 En régime équilibré, la méthode des deux wattmètres fournit donc des renseignements précis sur le système étudié : P = P13 + P23 Q = √3 (P13 - P23) où P13 et P23 sont algébriques tg φ = Q/P P13 et P23 considérées séparément n’ont toujours aucun rapport avec la puissance dissipée dans une phase, mais on peut tout de même tirer quelques renseignements dans certains cas particulier : P13= P23 ↔ φ = 0 → cos φ = 1 P13 < 0 si φ < -π/3 P13= 0 ↔ φ = -π/3 → cos φ = 0,5 P23 < 0 si φ > +π/3 P23= 0 ↔ φ = +π/3 → cos φ = 0,5 Amélioration du facteur de puissance " cos φ " Pourquoi améliorer le facteur de puissance Une trop grande consommation d'énergie réactive (facteur de puissance faible) pour une installation électrique va augmenter considérablement ses courants en ligne bien que sa puissance active n'est pas changée. Pour limiter les courants en ligne et donc l'énergie réactive absorbée par l'installation, on doit donc installer des batteries de condensateurs sources d'énergie réactive en parallèle sur notre installation. On appelle cette technique " Compensation de l'énergie réactive ". Cette compensation permet d'améliorer le facteur de puissance (cos ). Calcul de la capacité des condensateurs de compensation Couplage des condensateurs en triangle cos φ’ Tension aux bornes d’un condensateur : U Puissance réactive absorbée par un condensateur : QC1 = - CωU2 (signe – signifie que le condensateur fournit de la puissance réactive) Puissance réactive absorbée par les trois condensateurs : L2 L3 cos φ C Batterie de condensateurs QC = 3QC1 = -3CωU2 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Récepteur triphasé équilibré L1 page 6/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Détermination de la capacité Puissance active Puissance réactive Facteur de puissance P Q = P.tg φ Charge seule Batterie 0 QC = -3CωU2 condensateurs Charge + P Q ' = Q +QC = P.tg φ’ condensateurs On en déduit la capacité du condensateur de la manière suivante: QC = -3CωU2 = Q’- Q -3CωU2 = P.tg φ' - P.tg φ Finalement : C = On a cos φ 0 On veut cos φ’ P (tg φ - tg φ’) 3ωU2 Couplage des condensateurs en étoile En utilisant le même raisonnement que précédemment, on montre que la capacité du condensateur est donnée par la relation : P (tg φ - tg φ’) P (tg φ - tg φ’) = C= 2 ωU2 3ωV Le couplage en étoile est donc moins intéressant puisque la capacité des condensateurs nécessaires est trois fois plus grande que pour le couplage en triangle. Plus la capacité est grande, plus le condensateur est volumineux et onéreux. Applications EX1 :Etude d’une installation triphasée L’atelier d’un artisan comporte : Un moteur asynchrone triphasé dont les caractéristiques sont les suivantes : Puissance utile : Pu = 6,0 kW Rendement : = 92 % cos M = 0,75 Le moteur est composé de 3 enroulements couplés en étoile. Une perceuse équipée d’un moteur triphasé qui absorbe la puissance électrique Pa = 4,0 KW avec un facteur de puissance cos P = 0,80. Un radiateur électrique triphasé composé de 3 résistances identiques. Les caractéristiques d’une résistance sont : 400 V - 90 . Cet artisan dispose du réseau triphasé : 230/400 V - 50 Hz. 1) Etude du radiateur électrique. 1.1) Comment peut-on coupler les trois résistances du radiateur sur le réseau (justifier votre réponse) ? Choisir le couplage du radiateur. 1.2) Calculer la valeur efficace Ir des courants circulant dans chaque résistance. 1.3) Calculer les grandeurs suivantes pour ce radiateur : a) la puissance active Pr ; b) la puissance réactive Qr. 2) Etude du moteur asynchrone. 2.1) Représenter le couplage des enroulements du moteur 2.2) Calculer les grandeurs suivantes pour ce moteur : a) la puissance active Pm ; b) la valeur efficace des courants en ligne Im ; c) la puissance réactive Qm. d) la puissance apparente Sm. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 7/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Classe : 2 STE 3) Etude de l’ensemble moteur, perceuse et radiateur 3.1) Calculer les grandeurs suivantes pour l’ensemble moteur, perceuse et radiateur : a) la puissance active P ; b) la puissance réactive Q ; c) la puissance apparente S ; d) la valeur efficace I des courants en ligne ; e) le facteur de puissance cos . 4) Relèvement du facteur de puissance. 4.1) Calculer la valeur de la capacité C des trois condensateurs à placer en triangle telle que le facteur de puissance de l’installation moteur, perceuse, radiateur et condensateurs soit égal à cos’ = 0,98. 4.2) Calculer alors la nouvelle valeur efficace I’ des courants de ligne de la nouvelle installation. EX2 : Trois récepteurs identiques ont des impédances de même module Z. Ils sont couplés en triangle sur un réseau triphasé220/380 V, 50 Hz. La puissance est mesurée par la méthode des deux wattmètres : P12 = 868W et P23 = -132W 1. Calculer les puissances active et réactive. 2. Calculer l'intensité efficace du courant dans un fil de ligne. 3. Calculer Z. Les trois récepteurs Sont maintenant associés en étoile. 4. Calculer l’intensité efficace d’un courant en ligne. 5. Calculer les puissances active et réactive et comparer aux valeurs du 1. Le résultat était-il prévisible? EX3 : Un récepteur triphasé est formé de trois bobines identiques. Chaque bobine est représentée par une inductance L = 0,10 H en série avec une résistance R = 40 Ω. Les trois éléments sont alimentés par un réseau triphasé équilibré 220/380 V ; 50 Hz. Le schéma est donné ci-dessous 1. 1.2. 1.3. 2. 3. 4. 5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 6. 6.1. 6.2. Quel est le couplage des bobines. Déterminer l’intensité du courant traversant le fil neutre. Déterminer la valeur efficace de la tension aux bornes d’une des trois bobines. Calculer l’impédance Z d’une bobine. Calculer l’intensité du courant I1. Calculer le déphasage de l’intensité i1 par rapport à la tension v1. La puissance indiquée par le wattmètre est de 750 W. On prend pour valeur efficace de l’intensité traversant une bobine I = 4,32 A et un déphasage de 38°. Calculer en précisant les formules, pour le récepteur triphasé : le facteur de puissance la puissance apparente la puissance active la puissance réactive On veut relever le facteur de puissance du système à 0,95. Pour cela, on couple en triangle trois condensateurs identiques C. Déterminer la valeur efficace de la tension appliquée aux bornes d’un condensateur. Calculer la capacité d’un condensateur. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 8/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Pour être acheminée depuis les centrales de production vers les consommateurs, l’électricité emprunte des chemins successifs qui sont « comparables au réseau routier. » Les différentes étapes de l’alimentation électrique sont : La production. Le réseau de grand transport. Le réseau de répartition. Les réseaux de distribution. RESEAU NATIONAL Différentes tensions Les générateurs des centrales électriques fournissent généralement une tension comprise entre 5 et 20 KV. Cette tension est élevée à une valeur de 400 KV afin d’être transportée vers les centrales de répartition (dispatching) puis vers les lieux d’utilisation par les réseaux de transport et de distribution de l’énergie électrique. Ancienne dénomination Nouvelle dénomination Type de ligne Très Haute Tension (THT) Tension alternative 400KV ou 225KV Domaine Haute Tension B (HTB) Tension alternative >50 000V Haute Tension (HT) 90KV ou 63KV Haute Tension A (HTA) 1KV <U< 50KV Moyenne Tension (MT) 30KV, 20KV ou 15KV Basse Tension B (BTB) 500V<U<1000V Basse Tension (BT) 400V, 230V Basse Tension A (BTA) 50V<U<500V Usage Transport d’énergie électrique à longue distance et international Transport d’énergie électrique distant, industries lourdes, transport ferroviaire Transport et distribution d’énergie électrique en local : industries, PME, services, commerces Distribution d’énergie électrique : ménages, artisans Réseau national Le réseau national possède deux types de ligne : Les lignes de transport : tension supérieure à 20 KV Les lignes de distribution : tension inférieure à 20 KV Il est organisé en trois niveaux : Réseau de grand transport et d’interconnexion Son rôle est de transporter l’électricité des principaux centres de production jusqu’aux zones de consommation. Il permet aussi les échanges d’énergie avec les pays voisins. Pour assurer les transits sur de telles distances, la Très Haute Tension (THT) est nécessaire afin de minimiser les pertes. Réseau de répartition A proximité des zones de consommation des postes de transformation abaissent la tension. Ce sont les points de départ du réseau de répartition qui achemine un courant à Haute Tension (HT) vers les centres distributeurs et les grands clients industriels. Il assure le transport régional et la répartition proprement dite Réseau de distribution C’est au réseau de distribution qui amène l’électricité au client final (petites et moyenne industries, tertiaire, particuliers) en moyenne tension (MT) puis en basse tension (BT). SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 9/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Schéma général de la production, du transport et de la distribution PRODUCTION TRANSPORT DISTRIBUTION Centrale hydraulique Sidérurgie ONCF Mines 400 kV Poste d'interconnexion Centrale thermique Livraison en HTA (20 kV) 20 kV Centrale nucléaire HTB / HTA Transformateur 400 kV / 225 kV 400 kV Transformation HTA/BT Réseau BT 230 / 400 V Transport en haute tension Le réseau électrique national s'étend sur des milliers de kilomètres de lignes électriques. Ces lignes sont constituées de câbles métalliques très longs qui sont des conducteurs électriques imparfaits. Ainsi, lorsque des courants électriques de forte intensité traversent ces câbles, une partie de l'énergie transportée est transformée en chaleur par effet joule et donc perdue. Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est nécessaire de diminuer l'intensité du courant donc d'augmenter la tension aux bornes de la ligne L’énergie produite par les différents sites de production doit être acheminée sur tout le territoire. Cet acheminement est réalisé par des lignes aériennes ou souterraines. Lignes aériennes A haute et très haute tension, les lignes de transport sont aériennes dans leur grande majorité. Elles sont constituées de conducteurs nus en alliage d’aluminium et de supports (pylônes). Leur diamètre augmente avec la puissance à transporter. Elles sont composées de câbles; elles transportent essentiellement du courant alternatif triphasé. On regroupe en général deux circuits sur une seule ligne Tension KV 225 400 Distance entre phases (m) 6 10 Distance du sol (m) 11 13 Lignes Souterraines Les liaisons souterraines nécessitent des câbles de fabrication plus complexe. Ils sont constitués d’une partie conductrice centrale en cuivre ou en aluminium, l’âme du câble, entourée d’une gaine isolante en matière synthétique. En MT, ces câbles sont enterrés dans de simples tranchées. En HT et THT, c’est un peu plus compliqué. Toutefois le recours aux liaisons souterraines entraîne un coût d’investissement qui est 3 à 5 fois supérieur à l’aérien en HT et 5 à 7 fois en THT. Mouvements d’énergie Il faut qu'à chaque instant la puissance demandée par les abonnés soit égale à la puissance fournie par ONE. Il faut aussi à chaque instant que l'énergie livrée soit : à une fréquence fixe, à une tension fixe, à une puissance variable SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 10/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Variation de la demande d'énergie Au cours d’une journée de 24 heures, la consommation d’électricité suit l’activité du pays. Elle varie également en fonction des jours de la semaine et des saisons Centres de répartition (Dispatching national) C'est là que des opérateurs spécialisés surveillent et pilotent le réseau électrique, 24 heures sur 24. Pour cela, ils sont à l'écoute du réseau afin d'ajuster les offres de production aux demandes de consommation. Postes d’interconnexion Fonction Structure S3 S2 Ils assurent la liaison entre les centrales de production d'énergie électrique et le réseau de transport et d'interconnexion. Des transformateurs de puissance permettent des échanges d'énergie entre réseaux et différentes tensions. Tp : Transformateur de potentiel. S1 : Sectionneur de ligne. Tc : Transformateur de courant. D1 : Disjoncteur. S2-S3 : Sectionneurs de liaison avec les 2 jeux de barres. Arrivée1 : 400KV S1 Tc D1 Tp Arrivée2 : 400KV Tc Tp Départ : 225KV T1 225/400KV Départ : 150KV T2 150/400KV 2 jeux de barres Réseau de distribution d’énergie MT/BT A partir de postes sources alimentés par le réseau de transport, O.N.E distribue l'énergie en moyenne tension (HTA) 20 kV, mais il existe encore des réseaux en 5, 10, 15 kV ou en 24 ou 30 kV. On distingue deux types de réseaux moyenne tension : réseau aérien surtout en zone rurale réseau souterrain en zone urbaine Réseau en zone rurale Ce sont essentiellement des lignes aériennes assez longues, assurant une distribution avec une faible puissance à des utilisateurs très dispersés. Réseau en zone urbaine I1 s'agit surtout de câbles souterrains, qui ne sont pas influencés par les intempéries (orage par exemple). La puissance installée est beaucoup plus importante par unité de surface. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 11/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Structure des réseaux de distribution Alimentation en antenne À partir d'un poste-source alimenté par le réseau de transport d'énergie, une artère principale du 20 kV dessert des postes de transformation 20kV/400V disposés en multiples dérivations comme une grappe. Cette structure est utilisée pour l’alimentation des usagers en milieu rural par ligne aérienne. Avantage : simple à mettre en place et économique Inconvénient : lorsqu’un défaut intervient sur la ligne de distribution, les postes de distribution placés en aval ne sont plus alimentés Alimentation en coupure d’artère Tous les postes HTA/BT sont branchés en dérivation sur une boucle ouverte en un point dit point de coupure, proche du milieu de la boucle. Tous les appareils de coupure de l’artère sont fermés, sauf un. Avantage : bonne continuité de service Inconvénient : solution coûteuse Alimentation en double dérivation Chaque poste est alimenté par deux câbles avec permutation automatique en cas de manque de tension sur l'une des deux arrivées, ce qui permet d'assurer une grande continuité de l'alimentation. Cette disposition est surtout utilisée en souterrain et dans les grandes villes. Avantage : bonne continuité de service Inconvénient : solution très coûteuse. Poste de transformation HTA/BT (poste de livraison) Un poste de transformation reçoit l’énergie en 20 KV et la transforme en 400 V, la puissance du transformateur est fonction du nombre d’abonné et de la puissance demandée individuellement. En fonction des besoins en énergie de l’utilisateur, la puissance installée chez le client varie de 3 à 36 KVA pour le domestique et de 36 à 250 KVA pour les professionnels. Conception générale d’un poste de transformation Le poste de livraison comporte essentiellement de l'appareillage et un ou plusieurs transformateurs afin d'assurer les fonctions suivantes : dérivation du courant sur le réseau; protection du transformateur coté HT; transformation HT/BT; protection du transformateur coté BT; comptage d'énergie SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 12/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Différents types de postes de livraison Poste sur poteau Le transformateur et l’appareillage sont fixes sur le poteau, l'alimentation est aérienne, le départ s'effectue en aérien ou en souterrain. Protection : Cote haute tension, protection contre la foudre par éclateur. Cote basse tension, un disjoncteur protège le transformateur contre les surintensités. Poste préfabriqué Postes d’intérieur Ces postes peuvent être soit en bas de poteau soit sur une plate-forme extérieure. Le raccordement s'effectue par câble soit au réseau aérien, soit au réseau souterrain. Le tableau BT comporte un interrupteur avec fusibles ou un disjoncteur avec coupure visible. La puissance du transformateur est comprise entre 100 KVA et 1000 KVA. L'installation d'un poste de livraison en intérieur se justifie lorsqu'on doit protéger l'appareillage HT et BT du poste contre les fortes variations de température, ou dans le cas de puissances importantes. On distingue les postes dont l'appareillage HT est sous enveloppe métallique (cellules), des postes équipés d'appareillage HT sans enveloppe; ces derniers sont pratiquement remplacés par des postes avec cellules préfabriquées métalliques ; ils présentent l'avantage d'une meilleure sécurité, et d'une mise en place rapide. Exemple : Poste avec cellules préfabriquées métalliques Cellules préfabriquées métalliques Ces cellules sont juxtaposées à la demande et permettent de réaliser n'importe quelle disposition de poste de livraison. Chaque fabriquant propose son jeu de cellules préfabriquées. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 13/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL 3 cellules 4 cellules 3 cellules Mesure et comptage Mesures électriques sur les réseaux Les données en provenance des capteurs placés sur le réseau sont traitées par l’unité de protection et de contrôle qui commande les actionneurs sur le réseau. Capteur de courant (TC) Capteur de Tension (TP) Ce sont des transformateurs de courant. Ils permettent : d'adapter le courant à mesurer aux appareils de mesure. d'isoler le circuit de puissance du circuit de mesure Caractéristiques : Courant primaire : 10, 15, …, 500 A Courant secondaire : 1 à 5 A Ce sont des transformateurs de tension et permettent: d'adapter la tension aux calibres des appareils de mesures isoler le circuit de puissance des circuits de mesures Caractéristiques : Tension primaire : 3.5, 10, 20, 30 kV (H.T.A.) Tension secondaire : 100, 110 V (B.T.) Exploitation des mesures Les valeurs d'intensité et de tension à la sortie des transformateurs (TC et TP) sont l'image exacte des valeurs du réseau H.T.A.. Ces images sont exploitées pour le comptage de l'énergie, les mesures de déphasages, de puissance, de courant, de tension. Elles sont aussi exploitées pour la protection des personnes et des biens. Comptage Compteur monophasé - principe de fonctionnement Les compteurs d'énergie fonctionnent sur le principe des moteurs d'induction, et comportent des enroulements parcourus par l'intensité I et par la tension U. Le nombre de tours d'un disque est proportionnel à l'énergie consommée dans le circuit. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 14/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Branchement d'un compteur triphasé L'énergie active et l'énergie réactive sont mesurées selon les mêmes principes que les mesures de puissances actives et réactives en triphasé. Pour les intensités supérieures à 64 A on dispose de transformateurs de courant. Pour les abonnés aux réseaux HT Possession d'un seul transformateur Possession d'un seul transformateur Si le poste de livraison ne comporte qu'un seul transformateur (HT/BT - P maxi 1250 kVA), le comptage s'effectue en basse tension (BT). La tarification tient compte des pertes du transformateur. Tc Wh Possession d'un ou plusieurs transformateurs Si le poste de livraison comporte: soit un transformateur de P > 1250 kVA, soit plusieurs transformateurs (courant assigné du poste HT 400 A), Le comptage est réalisé sur la haute tension (HT). SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Tc Tp Wh page 15/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Transformateur monophasé Photo Symbole normalisé Rôle Le transformateur est utilisé pour adapter (élever ou abaisser) une tension aux besoins de l’utilisation Adapter la tension Tension d’alimentation Tension d’utilisation Constitution et principe de fonctionnement Enroulement primaire Source Enroulement secondaire U1 U2 Charge Secondaire Primaire Circuit magnétique Il est constitué de 2 enroulements placés sur un circuit magnétique fermé : Le primaire est alimenté par le réseau et se comporte comme un récepteur. Il crée un champ et un flux magnétique (t) alternatif) dans le circuit magnétique feuilleté. Le secondaire est soumis à la variation de ce flux, il est le siège d'une f.é.m. induite due à la loi de Lenz et alimente la charge. Un transformateur qui produit une tension plus grande est dit élévateur de tension, à l'inverse il est dit abaisseur de tension. Transformateur parfait Hypothèses simplificatrices - Circuit magnétique fermé de perméabilité infinie (pas de fuites de flux et pas de pertes de fer). - Enroulements primaire et secondaire de résistance nulle (pas de pertes par effet joule dans les enroulements). Relations entre les tensions A chaque instant, chaque spire est traversée par le même flux magnétique. Au primaire e1 = - N1 dΦ dt et u1 = - e1 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Au secondaire U1 = - E1 = j ω N1 Φ (1) e2 = - N2 page 16/65 dΦ et u2 = e2 dt U2 = E2 = - j ω N2 Φ (2) www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Rapport de transformation On tire immédiatement : u2 e2 N2 ===-m u1 e1 N1 les tensions u1 et u2 sont en opposition de phase. U2 La relation entre les valeurs efficaces U1 et U2 ne tient pas compte du déphasage : m = U1 m est le rapport de transformation du transformateur. Formule de Boucherot où U, E : (valeurs efficaces) en (V), B : (champ magnétique) en Tesla (T), s : (section de fer) en (m2) f : (fréquence) en (Hz). L’équation (1) donne en valeur efficace : U1 = E1 = ω N1 Φ = 2 π f N1 Φmax /√2 = 4,44 f N1 Φmax Soit : U1 = 4,44. f. N1.s.Bmax et U2 = 4,44. f .N2 .s.Bmax Relations entre les intensités η = P2/P1 Bilan des puissances: P1 = P2 (transformateur parfait) soit le rendement est : Comme 12 on a: S1= S2 = U1 I1= U2 I2 m = U2 I1 = U1 I2 Schéma électrique équivalent et diagramme de Fresnel Un transformateur parfait est alimenté au primaire par une tension sinusoïdale u1. Il alimente une charge Zc, telle que le courant i2 présente un déphasage d’un angle φ2 avec la tension u2. i1 i2 I1 u1 u2 m Z2 U1 1 U2 2 I2 L’intensité du courant I2 dépend de la charge appliquée au secondaire, il en est de même pour le facteur de puissance cos φ2. Ces deux grandeurs imposent l’intensité du courant I1 appelé au primaire, ainsi que le facteur de puissance du primaire, sachant que φ1 = φ2. Transformateur réel En éliminant toutes les hypothèses précédentes i1 R1 u1 L1 L2 - mi2 Lm RF i10 e2 R2 i2 u2 e1 Relations entre les tensions Le circuit du primaire peut se mettre en équation comme suit : U1 = - E1 + R1.I1 + j L1 ω.I1 Le circuit du secondaire peut se mettre en équation comme suit : U2 = E2 - R2.I2 - j L2 ω.I2 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 17/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Relations entre les intensités i1 = i1o- La relation s’écrit : N2 i2 = i1o – m i2 N1 Avec i10, intensité du courant absorbé par le primaire du transformateur à vide. Comportement simplifié dans l'hypothèse de Kapp L’hypothèse de Kapp permet de négliger le courant i10 vis à vis de i1 si bien que i1 et i2 sont dans le rapport de transformation Schéma équivalent simplifié ramené au secondaire Le modèle de Thévenin équivalent au transformateur vu du secondaire consiste à ramener tous les éléments du transformateur sur le circuit du secondaire. Connaissant la charge, il sera aisé de calculer les paramètres électriques du transformateur complet. Les éléments R1 et X1 = L1ω peuvent être déplacés au secondaire en les multipliant par m2, ainsi : Le secondaire se comporte comme une source de tension : • de f.é.m.: U20 = m U1 • d'impédance ZS = √ XS2 + RS2 avec : RS = (R2+m2 R1) et XS = (X2 + m2 X1) Il peut se mettre en équation comme suit : En valeur efficace : U2 =U20 -ΔU2 U2 =U20 - (RS + jXS) I2 = U20 - ZS I2 avec ΔU2 chute de tension au secondaire m2 R1 i1 u1 L2 i2 u2 e2 m e1 m2 L1 R2 ZS i1 u1 e1 RS m LS Xs i2 u2 e2 = u20 Rs i2 u2 mu1 Calcul approché de la chute de tension au secondaire Le calcul de la chute de tension peut être alors réalisé à l’aide d’une formule approchée : ΔU2 =U20 -U2 = RSI2 cos φ2 + XSI2 sin φ2 Détermination des éléments RS et XS A partir de ces deux essais : Essai à vide Essai en court-circuit SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 18/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Essai à vide Essai en court circuit I10 I1CC W A Classe : 2 STE U1N V2 V1 W Tension U20 I2CC = I2n A V réduite Pour U1 = U1N, on mesure U20 et P10 On calcule : U20 le rapport de transformation du transformateur m = U1 On tire : Puisque I10 est très faible donc PJ10 << P10. Cet essai doit être réalisé sous tension réduite U1CC (sinon destruction du transformateur) Pour I2cc = I2n, on mesure: U1CC et P1CC. Finalement : essai à vide P10 = Pfer Zs = mU1CC /I2CC et On calcule : Rs = P1CC /I22 Xs = √ ZS2- RS2 Rendement du transformateur Méthode directe Cette méthode consiste à mesurer avec deux wattmètres P1 et P2. η = P2 / P1 Méthode indirecte ou méthode des pertes séparées Cette méthode consiste à évaluer les différentes pertes dans les conditions nominales d’utilisation. η= P2 P1 = U2.I2.cosφ2 U2.I2.cosφ2 + P10 +RS.I22 Remarque : le rendement est maximal lorsque pertes fer et pertes Joule sont identiques. Applications Ex1 : Un transformateur monophasé a été soumis a un essai à vide : U1= 220V, U20= 110V, I10= 0,3A, P10=10W. L’enroulement primaire présente une résistance R1= 8 Ω et le secondaire, une résistance R2= 2 Ω. On néglige les fuites magnétiques. 1) Déterminer le facteur de puissance à vide. 2) Le courant appelé par le secondaire étant I2 = 2 A, en phase avec la tension U2, calculer : a- la tension U2 obtenue, le primaire restant alimenté sous 220V. b- le rendement du transformateur. Ex2 : Un transformateur monophasé a été soumis à un essai à vide : U1= 220V, U20= 110V, I10= 0,3A, P10=10W L’enroulement primaire présente une résistance R 1 8 et le secondaire, une résistance R 2 2 . 1) Déterminer le facteur de puissance à vide. 2) Le courant appelé par le secondaire étant I 2 =2 A, en phase avec la tension U2, calculer: la tension U2 obtenue, le primaire restant alimenté sous 220V. le rendement du transformateur. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 19/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Transformateurs triphasés Photos Symbole normalisé Constitution Circuit magnétique Culasse supérieure Le circuit magnétique canalise le flux magnétique. Il est constitué d’un empilage de tôles. Ces tôles sont : Isolées entre elles par oxydation (diminutions des pertes par courant de Foucault) ; à cristaux orientés (diminution des pertes par hystérésis) ; assemblées en alterné pour limiter l’entrefer ( réductions des fuites magnétiques). Culasse inférieure Circuit électrique Il comprend les enroulements primaires et secondaires ainsi que les éléments permettant les connexions avec les circuits extérieurs. Pour les transformateurs triphasés, il y a 3 enroulements primaires et 3 enroulements secondaires. Couplage Comme tous les récepteurs triphasés, le primaire d’un transformateur peut avoir ses enroulements couplés en étoile ou en triangle. De la même façon, les bobines secondaires pourront être connectées en étoile, en triangle ou en zig- zag. Par convention : - les bornes haute tension sont repérées par des lettres majuscules : A , B , C. - les bornes basse tension sont repérées par des lettres minuscules : a , b , c. Y Couplage étoile D Couplage triangle Z Couplage zig-zag (nécessite des enroulements à point milieu) 2ème lettre (minuscule) couplage secondaire y, d ou z Idem 3ème lettre N ou n Neutre sorti Indice horaire 0, 1,2,…, 11 Retard de la BT sur la HT exprimé en multiple de 30° 1ére lettre (majuscule) Couplage primaire SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 20/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Indice horaire Les conditions de couplage des enroulements primaires et secondaires ont aussi pour effet d’introduire un déphasage entre des tensions primaires et secondaires et homologues, c’est à dire apparaissant entre les bornes désignées par des mêmes lettres (VA , Va) ou (UAB , Uab). En pratique, le déphasage θ obtenu est toujours un multiple entier de ± 30°. θ = retard d’une tension BT sur son homologue HT. L’indice horaire I est : I = θ / 30° UAB 0 ≤ I ≤ 11 Va Vecteur a au vecteur AB car les tensions Va et UAB sont en phase. (entier) On pose le vecteur A verticalement (HT). Le triangle représente le couplage au primaire a indique 11h donc l’indice horaire est 11 Représentation de Fresnel Dyn11 Caractéristiques d'un transformateur triphasé La plaque signalétique d'un transformateur donne les principales caractéristiques électriques et de raccordement. • La puissance assignée (en KVA). • Les tensions primaire et secondaire assignées (en V ou KV). • Les courants primaire et secondaire assignés (en A ou KA). • La fréquence d'emploi (50 Hz). • Les couplages côtés HT et BT. • L'indice horaire. • La tension de court-circuit (pourcentage de la tension primaire assignée pour obtenir le courant nominal au secondaire, lorsque le secondaire est en court-circuit). • Le mode de refroidissement. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 21/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Protection des personnes : Régimes de neutre Nécessité de la liaison à la terre L'énergie électrique demeure dangereuse et la majorité des accidents est due aux défauts d'isolement des récepteurs. La masse des récepteurs doit donc être reliée à la terre pour assurer une tension de contact la plus faible possible. Quelle que soit la cause de ces défauts, ils présentent des risques pour : • la vie des personnes • la conservation des biens • la disponibilité de l’énergie électrique. Pour la liaison à la terre, plusieurs solutions existent qui se trouvent dans la famille des Schémas de Liaison à la Terre (SLT) appelés "régimes de neutre". Tous assurent la sécurité des personnes avec chacun des avantages et des inconvénients en fonction des besoins de l'utilisateur. Les trois régimes de neutre. SLT TT TN IT NEUTRE du transformateur Terre Terre Isolé ou Impédant MASSE du récepteur Terre Neutre Terre Régime TT Caractéristiques Déclenchement des protections au 1er défaut. Le neutre du transformateur d’alimentation est relié à la terre. Les masses sont interconnectées et reliées à la terre. Schéma Rd : résistance de défaut. Rd = 0,1 Rn : résistance de prise de terre. Rn =10 Ru : résistance de prise de terre des masses. Ru =10 230V Rd Défaut Rn Id = Ru Id 230 U = Rd+Rn+Ru 0,1+10+10 = 11,4 A Uc Uc = Ru x Id = 10 x 11,4 = 114 V Tension mortelle Protection Toutes les masses des matériels protégés par un même dispositif de protection doivent être interconnectées et reliées par un conducteur de protection (PE) à une même prise de terre. La condition de protection doit satisfaire à la relation suivante : Ru. I∆n < UL I∆n : Courant de fonctionnement du dispositif de protection ; Ru : résistance de la prise de terre des masses ; UL : tension de contact limite : UL = 50V, 25V selon les locaux. Dans les schémas TT, on assurera la protection par un dispositif différentiel à courant résiduel placé à l’origine de l’installation. Dans ce cas, le courant I∆n est égal au courant différentiel résiduel du disjoncteur. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 22/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Régime TN Le neutre de l’alimentation est relié à la terre et les masses sont reliées au neutre. Tout défaut d’isolement est transformé en un défaut entre phase et neutre. Ce qui se traduit par un court-circuit phase neutre. Régime TNC Le conducteur de protection et le neutre sont confondus en un seul conducteur PEN : Protection Electrique + Neutre Section des conducteurs actifs 10 mm² On utilise l’appareillage tripolaire. PEN Régime TNS Le conducteur neutre est séparé du conducteur de protection électrique PE. N Utilisation de matériel tétra polaire. PE Dans les deux cas, la protection doit être assurée par coupure au premier défaut . Boucle de Défaut Les prises de terre du neutre et des masses sont interconnectées. En cas de défaut, un courant Id circule dans le conducteur PE ou PEN. Id PEN Court circuit donc Id est important. Déclenchement des protections. Caractéristiques déclenchement au premier défaut. répartition des prises de terre dans toute l’installation. défaut d’isolement phase/masse est transformé en défaut phase/neutre. aucune élévation du potentiel des masses Protection Un défaut d’isolement se traduit par un court-circuit Le courant de défaut n’est limité que par la résistance des conducteurs : Id = 0,8V / (Rph + Rpe) Il faut vérifier que les dispositifs de protection réagissent en un temps inférieur à celui imposé par la norme, avec m = Sph / Spe soit pour un disjoncteur : I magnétique < 0,8 .V. Sph / ρ . l. (1+m) Il faut pour les fusibles If < Id (courant de fusion du fusible). SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 23/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Régime IT Le neutre est isolé de la terre, ou relié à la terre par une impédance. Les masses sont reliées à une prise de terre. Ru : R de la prise de terre. Rn : R de la terre du neutre. Zn : Impédance d’isolement PE Zn Ru Rn Boucle de défaut Premier défaut Le premier défaut est inoffensif. Id est très faible. Exemple de calcul : Zn = 2200 Rn = 10 - Ru = 10 Id = V / Ztotal = 220 /(2200+10+10) Id = 0,1 A Tension de défaut : Ud = Ru x Id Ud = 10 x 0,1 = 1V Tension non dangereuse La coupure n’est pas impérative PE Zn Ru Rn Id Id PE Uc Zn Deuxième défaut Ru Rn En cas de double défaut, il y a présence d’un fort courant de court circuit (entre phase) et d’une tension de contact (Uc) dangereuse. Coupure automatique obligatoire. Deux cas se présentent : masses séparées : protection par dispositif différentiel : Régime TT. masses communes : protection contre les surintensités : Régime TN. Caractéristiques le premier défaut doit être signalé par un contrôleur permanent d’isolement (CPI), par un signal sonore ou visuel. la coupure est obligatoire au deuxième défaut. un personnel de surveillance doit être capable de réparer au 1er défaut. Fonctionnement du CPI Relais de détection SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Mesure Signalisation Cet appareil contrôle en permanence l’isolement du réseau. Un générateur injecte du courant continu entre le réseau et la terre. a) Absence de défaut : le courant continu ne circule pas entre le réseau et la terre. b) Présence de défaut : un faible courant est débité sur le réseau et le relais actionne les alarmes. Cet appareil signale l’apparition du 1er défaut page 24/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Application : Sachant que : Rn : la résistance du neutre à la Terre. Ru : la résistance de la prise de Terre. Rc = 1000 Ω : la résistance corporelle. Rd : la résistance de défaut. Caractéristique de l’installation : 230V / 400V ; régime TT ; disjoncteur 30A/ 500mA. 1/ La phase 1 de la machine 1 touche la masse avec une résistance de défaut Rd =20 Ω . a- Représenter le parcours du courant de fuite IC 1 . b- Calculer la valeur de ce courant de fuite. c- Calculer la tension de contact UC 1 à laquelle est soumise la personne. d- Calculer alors l’intensité IC 1 qui traverse la personne. e- Le différentiel déclenche – t – il ? Pourquoi ? 2/ Le défaut de la première machine est réparé. La phase 2 de la machine 2 touche la carcasse de celle-ci. La résistance de contact est de 100 Ω. a- A quel potentiel se trouve la carcasse ? b- Une personne touche la carcasse de cette machine ; à quel potentiel est –elle soumise ? Calculer le courant qui la traverse IC2. c- Le différentiel déclenche-t-il ? Pourquoi ? 3/ Maintenant, les deux défauts sont présents sur chaque machine. Une personne touche d’une main la machine 1 et de l’autre la machine 2 tout en étant isolée de la Terre. Expliquer ce qui se passe (Tension entre les deux mains, courant corporel, danger. Protection des matériels Défauts dans les installations électriques Défauts Surintensité Surcharge Courts-circuits Surtension Baisse de tension SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Tout courant supérieur à la valeur assignée (valeur normale d’emploi) correspondant à un accroissement anormal du courant Accroissement anormal du courant absorbé par le circuit dû à une demande de puissance plus importante. Exemple : plusieurs radiateurs sur une même prise de courant ou moteur électrique bloqué. Elévation brutale du courant absorbé par le circuit due à un contact électrique entre deux conducteurs de polarité différente. Exemple : 2 conducteurs dénudés qui se touchent. Elévation anormale de la tension due à un défaut d'isolement avec une installation de tension plus élevée, des surtensions atmosphériques, des phénomènes de résonance. Baisse anormale de la tension. page 25/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Dispositifs de protection. Fusibles Photos et représentation Fonction du fusible Caractéristiques électriques 1 1 1 2 2 2 F1 Il permet la transmission de l’énergie électrique tout en protégeant contre les courants de court-circuit. L’élément fusible est constitué d’un fil métallique dans une enveloppe fermé. Le fusible fond si le courant qui le traverse dépasse la valeur assignée. Il existe trois types principaux de fusibles : très rapide (prosistor) : protection des semi-conducteurs, standard (type gG): usage général, protection câbles et tout type de récepteurs, lent (type aM (accompagnement Moteur)): démarrage des moteurs, accepte un fort courant de démarrage durant quelques secondes. Courbe de fusion d’une cartouche cylindrique type aM Pour une cartouche cylindrique (10 x 38) 4A, aM , 400 V : Le temps de fusion de ce fusible parcouru par une intensité de 50 A sera de 0,3 s. Choix d'un fusible On choisit le calibre du fusible égal au courant : à pleine charge de l'installation à protéger pour la classe gG. nominal du moteur à pleine charge pour la classe aM. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 26/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Disjoncteurs Photos et représentation Fonction Organe de commande et de protection, les disjoncteurs sont pratiquement tous magnétothermiques, c’est-à-dire composé d’un relais de protection thermique (protection contre les surcharges moyennes et de longues durées) et d’un relais de protection magnétique (protection contre les surcharges importantes et de courtes durées). Il possède un « pouvoir de coupure » et agit directement sur le circuit de puissance. S’il est différentiel, il permet d'ouvrir le circuit en cas de détection d'un courant de défaut. Le principe de la détection thermique est le même que pour un relais thermique. La détection magnétique se fait à l’aide d’un bobine capable de détecter très rapidement un courant de court-circuit (ex : 10 In au bout de 20 ms) Caractéristiques Courbes de déclenchement associées en fonction des récepteurs : électriques Courbe B: déclenchement entre 3 et 5 In: pas de pointes de courant, circuit de chauffage. Courbe C: déclenchement entre 5 et 10 In: applications générales, lignes et circuits Courbe D: déclenchement entre 10 et 14 In : circuits à fort courant d’appel, moteurs. Partie thermique (Protection contre les surcharges) Temps de déclenchement d’un disjoncteur réglé pour un courant nominal In Pour une surcharge de 4 à 5 In, le relais déclenchera entre 2 et 8 s. Pour une surcharge de 15 In, le relais déclenchera en 10 ms. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Partie magnétique (Protection contre les courts circuits) page 27/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Relais thermique 95 96 5 3 km1 6 S2 4 6 SCHEMA COMMANDE F2 F2 4 98 96 6 4 2 1 + 5 Ph F2 pôles de puissance SCHEMA PUISSANCE reseau continu 2 F2 1 97 N 95 5 L3 2 Photos et représentation L2 3 1 L1 SCHEMA PUISSANCE reseau monophasé 3 SCHEMA PUISSANCE reseau triphasé pôles auxiliaires KM1 Fonction du relais thermique Le relais thermique permet de protéger le moteur contre les surcharges. Il ne possède pas de "pouvoir de coupure", il intervient seulement sur le circuit de commande. C'est à dire qu'il donne l'ordre aux contacts auxiliaires qui lui sont associés et qui sont insérés dans le circuit de commande, d'ouvrir celui-ci. Comme il ne protège pas contre les courants de court-circuit, il doit obligatoirement être accompagné d’un fusible. Son principe est basé sur l'image thermique du courant. Il agit grâce à des bilames qui se déforment en fonction du courant qui les traversent. Un Caractéristiques courant important qui traverse un bilame échauffe celui-ci et vient alors agir sur un contact. Le relais protège les moteurs contre : électriques les surcharges (augmentation anormale du courant pendant un temps assez long), les coupures de phase où les déséquilibres de celles-ci. Temps de déclenchement d’un relais thermique réglé pour un courant nominal In Pour une surcharge de 1,2 In, le relais déclenchera en 4 m. Pour une surcharge de 2 In, le relais déclenchera en 35 s. Pour une surcharge de 4 In, le relais déclenchera en 10 s. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 28/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Classe : 2 STE Dispositifs de protection moyenne tension Destinés à la protection des réseaux de distribution, et des postes de transformation Fusibles moyenne tension Disjoncteur moyenne tension Fusibles MT Fusarc de chez Schneider Electric Disjoncteur moyenne tension pour l’intérieur de chez Schneider Electric Caractéristiques • • • tension assignée : 3,6 - 7,2 - 12 - 17,5 - 24 - 36KV; pouvoir de coupure : 20 – 32 – 40 – 50 - 63 KA ; courant assigné: 6,3 - 10 - 16 – 20 – 25 - 31,5 – 40 50 – 63 - 80 -100 –125 - 160 - 200 - 250 A. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Ces disjoncteurs utilisent la coupure dans l’hexafluorure de soufre (SF6) pour l'isolement et la coupure. Caractéristiques : tension assignée : 7,2 - 17,5 - 24 – 36 kV ; courant de courte durée admissible : 12,5 – 16 – 20 – 25 kA ; courant assigné : 400 – 630 – 1 250 A. page 29/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Classe : 2 STE Introduction Nécessité de la conversion d’énergie Les différents réseaux électriques industriels alimentent de nombreux actionneurs. Cette énergie apparaît sous deux formes : alternative (tensions ou courants sinusoïdaux à valeur moyenne nulle) ou continue. Suivant le type d’actionneur, il est nécessaire d’adapter la forme de l’énergie fournie par le réseau Classification des convertisseurs statiques Type de convertisseur Energie en entrée Energie en sortie Réglage de la puissance Alternatif Alternatif Continu Continu Alternatif Continu Continu Continu Alternatif Alternatif Non Oui Oui Oui Oui Redresseur à diodes Redresseur à thyristors Hacheur Onduleur Gradateur Redresseurs Généralité Le redresseur permet la conversion d'une tension alternative en une tension continue. On utilise un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un récepteur en continu à partir du réseau de distribution alternatif. Redresseur ou commutateur Source alternative ( ) Récepteur à courant continu (--) Redresseurs à diodes (non commandés) Dans ses redresseurs, l’élément commutateur utilisé est la diode. Diode La diode est un dipôle passif polarisé. En électrotechnique, la diode est équivalente à un interrupteur unidirectionnel non commandé. Caractéristique d’une diode parfaite Repère de la i Aspect vAK Symbole i vAK K Diode bloquée Diode passante v Diode se comporte Diode se comporte comme un interrupteur comme un interrupteur A Jonction A Anode SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C P N K Cathode page 30/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Redresseur monophasé (Charge résistive) Redresseur simple alternance Schéma du montage D v i iD VD u R v est la tension d’entrée du montage. u est la tension de sortie. vD est la tension aux bornes de la diode R est la charge résistive. Analyse du fonctionnement Oscillogrammes v La diode est parfaite v (θ) = V√2 sin θ 0 < θ < π v > 0 alternance positive 0 D est passante (interrupteur fermé) vD = 0 u Loi des mailles donne : v – vD – u = 0 Donc : u = v >0 i VD = 0 v u= v VD u R i = u/R = v/R iD = i π 3π 2π 4π θ i iD π < θ < 2π v < 0 alternance négative vD D se bloque (interrupteur ouvert) i = 0 i v VD R u i= 0 u = Ri = 0 vD = v iD = 0 Diodes passantes D D D Grandeurs caractéristiques Valeur moyenne de la tension u u = V√2/π SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Valeur efficace de la tension u Tension maximale supportée par la diode U = V√2/2 VDmax = V√2 page 31/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Classe : 2 STE Redresseur double alternance PD2 (Pont de Graëtz) Schéma du montage M iD1 vD1 A v i D1 i' u v est la tension d’entrée du montage. u est la tension de sortie. vD1 est la tension aux bornes de la diode D1 R est la charge résistive. D3 R B D4 D2 N Analyse du fonctionnement 0<θ<π v > 0 vA > vB D1 et D4 sont passantes vD1 = 0 et vD4 = 0 (Interrupteurs fermés) Le courant i circule la maille suivante : A D1 R D4 B Oscillogrammes v 0 M vD1 A v i D1 2π θ 3π 4π D2 et D3 D1 et D4 u R i' B u D3 π D2 D4 N i u = vM –vN = vA –vB = v i = u / R = v / R et i’ = i vD1 = vD4 = 0 et vD3 = vD2 = - v π < θ < 2π v < 0 vB > vA D2 et D3 sont passantes vD2 = 0 et vD3 = 0 (Interrupteurs fermés) Le courant i circule la maille suivante : B D3 R D2 A iD1 vD1 M vD1 A v B i D1 u D3 Diodes passantes D1 et D4 D2 et D3 R i' D2 D1 et D4 D4 N u = vM –vN = vB –vA = - v i = u / R = -v / R et i’ = - i vD2 = vD3 = 0 et vD1 = vD4 = v SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 32/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Grandeurs caractéristiques Valeur moyenne de la tension u u = 2V√2/π Valeur efficace de la tension u Tension maximale supportée par la diode U=V VDmax = V√2 Redresseur monophasé (Charge R.L.E.) Redresseur double alternance PD2 (Pont de Graëtz) Schéma du montage i i1 VD1 A v i' D1 M u L D3 v est la tension d’entrée du montage. u est la tension de sortie. vD1 est la tension aux bornes de la diode D1. R est la résistance de la charge. L est l’inductance de la charge. E est la f.é.m. de la charge R B E D4 D2 N Analyse du fonctionnement Oscillogrammes v En électronique de puissance, pour de forts débits du courant, le lissage se fait par une inductance. L’ondulation du courant alors diminue. Le courant ne passe plus par zéro. C’est le régime de conduction ininterrompue ou continue. 0 π 2π 3π 4π θ u Si l’inductance est assez grande, on peut considérer le lissage comme parfait : le courant i est constant. i La tension u est imposée par le réseau, à travers le transformateur et le pont de Graëtz. Le courant i est lissé par la bobine d’inductance L. Son intensité est imposée par la charge R, E. i' iD1 Pour les autres grandeurs : Alternance positive iD1 = i i' = i vD1 = 0 Alternance négative iD1 = 0 vD1 = -u = v i’ = -i vD1 Diodes passantes D1 et D4 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 33/65 D2 et D3 D1 et D4 D2 et D3 D1 et D4 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Redresseur triphasé (Charge résistive) Lorsque la puissance demandée par le récepteur atteint une certaine valeur (> 10 KW), il est intéressant de l’alimenter à partir du réseau triphasé. Redresseur triphasé PD3 Schéma de montage i iD1 1 i1 v1 2 v2 3 v3 VD1 D1 D2 M Le pont redresseur comporte: 3 diodes pour l’aller: D1, D2, D3, 3 diodes pour le retour: D1’, D2’, D3’, u D3 R iD1’ E D1’ D2’ D3’ Les diodes sont parfaites N Analyse du fonctionnement vM = v1, v2 ou v3 la plus positive à l'instant considéré : vM est constitué donc par les «calottes supérieures» des sinusoïdes v1, v2, v3. Oscillogrammes u vv11 vN = v1, v2 ou v3 la plus négative à l'instant considéré : vN est constitué donc par les «calottes inférieures» des sinusoïdes v1, v2, v3. La tension u = vM - vN.. Elle est périodique, de période π/3 en θ. Soit de fréquence : f ‘ = 6 x 50 = 300 Hz. (Si la fréquence du réseau est 50 Hz) π/6 < θ < π/2 vM = v1 = V√2 sin θ vN = v2 = V√2 sin (θ - 2π/3) Le courant i circule la maille suivante : 1 D1 R D2’ 2 D’où : u = vM - vN = V√2√3 sin (θ + π/6) Le courant dans la charge : i = u/R Le courant dans une diode : Le courant dans les diodes est égal à : i lorsque la diode considérée est passante 0 si la diode est bloquée. iD1 = i lorsque D1 conduit Le courant demandé par la source triphasée : i1 = iD1 - iD1’ (loi des nœuds) Lorsque π/6 < θ < 5π/6 i1 = i Lorsque 7π/6 < θ < 11π/6 i1 = - i SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C 0 v22 π/ π/2 2 π/ π/6 6 vv33 ππ θ 2π 2π i v1 v2 v3 D1 0 D2 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 D3 1 D1’ 0 D2’ 1 0 π/ 0 6 1 0 π/ 0 2 0 0 π 0 0 1 1 1 1 0 2π 0 0 0 0 0 1 1 D3’ 0 u u32 0 u12 1 u13 1 u23 0 u21 0 u31 0 u32 0 u12 vD1 0 i1 0 0 0 u12 u12 u13 u13 0 i i 0 -i -i page 34/65 0 i www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Grandeurs caractéristique Valeur moyenne de la tension u Valeur moyenne du courant iD u = 3√3 V√2 π iD = i / 3 Tension maximale supportée par la diode VDmax = V√3√2 Redresseur triphasé (Charge R.L.E.) Redresseur triphasé PD3 Schéma de montage iD1 vD1 1 D1 D2 i D3 M u L i1 v1 2 v2 Analyse du fonctionnement R 3 v3 iD1’ D1’ D2’ D3’ L’inductance L est suffisante pour que le courant i soit considéré constant. La tension u a la même forme que le montage précédent (c.à.d. charge résistive). E N Grandeurs caractéristique Valeur moyenne de la tension u u = 3√3 V√2 π SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Valeur moyenne du courant iD iD = i / 3 page 35/65 Tension maximale supportée par la diode VDmax = V√3√2 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Classe : 2 STE Redresseurs à thyristors (commandés) L’intérêt du redressement commandé et qu’il permette de faire varier la tension moyenne en sortie du pont et donc de faire varier par exemple la vitesse de rotation d’un moteur à courant continu. Thyristor En électrotechnique, le thyristor est équivalent à un interrupteur unidirectionnel commandé à la fermeture. Aspect vAK A Symbole K G Anode A Jonction P N P G Amorçage d’un thyristor Montage R Cathode K Gâchette Conclusion iG Pour amorcer un thyristor : il faut que la tension vAK soit positive et un courant de gâchette suffisant le temps que i AK s’établisse. Le thyristor se comporte alors comme un interrupteur fermé. On ferme K1 : lampe est éteinte donc Th est bloqué. On ferme K2 : lampe s’allume donc Th est passant. On ouvre K2 : lampe reste allumée donc Th est passant. On ouvre K1 : lampe s’éteint donc Th se bloque. On ferme K1 : lampe reste éteinte donc Th est bloqué. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C N Pour bloquer le thyristor : il faut annuler le courant i AK ou appliquer une tension vAK négative. Le thyristor se comporte alors comme un interrupteur ouvert. page 36/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Redresseur monophasé à thyristors (Charge résistive) Redresseur simple alternance Schéma du montage T v iT i vT v: est la tension d’entrée du montage. u: est la tension de sortie. vT : est la tension aux bornes du thyristor R : est la charge résistive. u R Analyse du fonctionnement Oscillogrammes Le thyristor est supposé parfait. v (θ) = V√2 sin θ 0<θ<π v>0 Pas d’impulsion sur la gâchette : u = 0 et i = 0 Loi des mailles donne : v – vAK – u = 0 vAK = v – u = v >0 donc le thyristor est susceptible d’être amorcé. L’amorçage s’effectue avec le retard t0, qui correspond à l’angle α = ω.t 0 appelé l’angle de retard à l’amorçage, après chaque début de période T. à θ = α le thyristor est amorcé v i vT R u v 0 α π 3π 2π 4π θ u i vT = 0 u= v i = u/R = v/R iT àθ=π Le courant i s’annule ce qui bloque le thyristor. vT π < θ < 2π v < 0 Si l’on envoie un courant de gâchette alors que la tension est négative, le thyristor reste bloqué i v vT R u Thyristors passants T i= 0 u = Ri = 0 vT = v T Grandeurs caractéristiques Valeur moyenne de la tension u Valeur efficace de la tension u u = V√2/π .(1+cos α ) / 2 U = V√2/2.√ (1- α /π + sin2α / 2 π) SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 37/65 Tension maximale supportée par le thyristor vTmax = V√2 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Redresseur mixte double alternance PD2 (Pont de Graëtz) Schéma du montage iT1 A v B vT1 i' i T1 M u T2 R i D1 D1 v est la tension d’entrée du montage. u est la tension de sortie. vT1 est la tension aux bornes du thyristor T1 R est la charge résistive. D2 N Analyse du fonctionnement θ = α : v > 0 vA > vB Le thyristor T1 est susceptible d’être amorcé. Il est amorcé, le courant i circule la maille : A T1 charge D2 B On en déduit que : Oscillogrammes v u = vM –vN = vA –vB = v i=u/R=v/R i’ = i vT1= vD2 = 0 vT2 = vD1 = - v 0 α π 3π 2π 4π θ u Lorsque θ franchit π v < 0 vB > vA le thyristor T2 est susceptible d’être amorcé mais il ne sera amorcé que lorsque θ = π + α . Par contre D2 se met à conduire dés que θ > π Ainsi (π < θ < π + α ), la charge est courtcircuitée par T1 et D2 d’où u = 0 θ = π + α : v < 0 vB > vA T2 est amorcé, le courant i circule la maille : B T2 charge D1 A On en déduit que : i iT1 et iD2 vT1 u = vM –vN = vB –vA = - v i = u / R = -v / R i’ = - i vT2 = vD1 = 0 vT1 = vD2 = v Eléments passants T1 et D2 T2 et D1 T1 et D2 T2 et D1 Grandeurs caractéristiques Valeur moyenne de la tension u Valeur efficace de la tension u u = 2V√2/π .(1+cos α ) / 2 U = V√(1- α /π + sin2α / 2 π) SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 38/65 Tension maximale supportée par les éléments vTmax = V√2 vDmax = V√2 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Onduleur autonome L’onduleur permet la conversion d'une tension continue en une tension alternative. Il est autonome lorsqu’il impose sa propre fréquence à la charge Onduleur autonome Source continue ( -- ) Récepteur à courant alternatif Onduleur monophasé (Débit sur charge résistive) Interrupteurs électroniques L’interrupteur peut être à transistor (ou thyristor si grande puissance), plus une diode de récupération (indispensable si la charge est. inductive). i K ouvert ↔ T bloque et D en inverse K fermé ↔ T commandé : - si i > 0 : T conduit - si i < 0 : D conduit i K D T T D Commandes La commande dans un onduleur peut être : symétrique, décalé ou MLI Commande symétrique Il s’agit d’actionner alternativement les interrupteurs K1 et K2 (K1, K4 et K2, K3) durant des intervalles de temps réguliers. Montage Onduleur en demi-pont à deux interrupteurs Onduleur en pont à quatre interrupteurs i1 + V u + V v1 i i1 K1 V K2 u v1 i K4 Analyse du fonctionnement Onduleur en demi-pont Onduleur en pont (à deux interrupteurs) (à quatre interrupteurs) K1 K2 Oscillogrammes u V 0 < t < T/2 K1 est fermé v1 = 0 K2 est ouvert i2 = 0 u=V i = i1 = V/R v2 = V + u = 2.V 0 < t < T/2 K1 et K4 sont fermés v1 = v4 = 0 K2 et K3 sont ouverts i2 = i3 = 0 u=V i = i1 = V/R v2 = v3 = u = V T/2 < t <T K1 est ouvert i1 = 0 K2 est fermé v2 = 0 u = -V i = -i2 = -V/R v1 = V - u = 2.V T/2 < t <T K1 et K4 sont ouverts i1 = i4 = 0 K2 et K3 sont fermés v2 = v3 = 0 u = -V i = -i2 = -V/R v1 = - u = -(-V) = V SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C K3 + page 39/65 -V i V/R -V/R v1 V i1 Ond ½ pont Ond en pont Eléments K1 K1 et K4 K1 K1 et K4 K2 K2 et K3 T/2 T www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Commande décalée (onduleur en pont) Montage i1 Dans la commande précédente la tension, ainsi que le courant, sont riches en harmoniques ce qui pose des problèmes pour une utilisation avec des moteurs (pertes joules, couples pulsatoires …). La commande décalée permet d'éliminer en partie ces harmoniques et améliore donc le convertisseur. K3 + V u K1 i K4 Analyse du fonctionnement v1 K2 Oscillogrammes u La fermeture des interrupteurs d’un bras est décalée de l'angle α 0<t<α K1et K3 sont fermés u = 0 α < t < T/2 K1et K4 sont fermés u = V T/2 < t <T/2+α K2et K4 sont fermés u = 0 T/2+α < t <T K2et K3 sont fermés u = -V V -V K1 K3 α K2 K4 T/2 T/2+α Interrupteurs K3 T fermés Commande par modulation de largeur d’impulsion : MLI Ici, il y a modulation par un signal modulant sinusoïdal. Pour obtenir la tension de commande des transistors, on compare un signal triangulaire appelé porteuse au signal modulant sinusoïdal de fréquence beaucoup plus faible. La tension aux bornes de la charge est fragmentée en plusieurs impulsions de tension (négative et positive). Cette fragmentation permet si elle est savamment calculée d’éliminer les harmoniques gênants. L’allure de la tension MLI permet de se rendre compte du principe de cette commande. Principe de commande MLI du bras K1 – K2 Porteuse et modulante Modulant - + Comparateur - Us : Signal de commande Us +V Porteuse -V SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 40/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Gradateur Généralité Le gradateur est un convertisseur alternatif - alternatif, capable de faire varier la tension efficace aux bornes d'une charge. Gradateur Source alternative ~ ~ Récepteur à courant alternatif Gradateur monophasé (débit sur charge résistive) Interrupteurs électroniques L’interrupteur est constitué par deux thyristors tête-bêche. Pour les faibles puissances, les deux thyristors sont remplacés par un triac. 2 thyristors tête-bêche Triac Montage Triac T1 A v A1 A T2 u R v A2 G u R B B Commandes Les deux thyristors doivent être commandés avec le même angle de retard α pour obtenir une tension u alternative (valeur moyenne nulle). Deux modes de commande de l'énergie transférée à la source sont possibles : Commande par la phase Analyse du fonctionnement Oscillogrammes la variation de la valeur efficace U est obtenue en agissant sur l'angle de retard α. 0 << π : v > 0 vA > vB Le thyristor T1 est susceptible d’être amorcé. A θ = α T1 est amorcé, le courant i circule la maille : A T1 R B On en déduit que : u=v i=u/R=v/R T1 se bloque naturellement en i = 0). << 2 : v < 0 vB > vA Le thyristor T2 est susceptible d’être amorcé. A θ = α T2 est amorcé, le courant i circule la maille : B R T2 A On en déduit que : u=v i=u/R=v/R T2 se bloque naturellement en i = 0). SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 41/65 v 0 α π 3π 2π 4π θ u i Thyristors passants T1 T2 T1 T2 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES Grandeurs caractéristiques Valeur moyenne de la tension u Valeur efficace de la tension u u = 0 (tension alternative) U = V.√ (1- α /π + sin2α / 2 π) Tension maximale supportée par les éléments vTmax = V√2 Commande par train d'ondes Analyse du fonctionnement Oscillogrammes Dans ce type de gradateur, le signal envoyé sur l’entrée de commande du gradateur est de type TOR T : période du réseau TON : Durée du train d'ondes, (Temps de conduction) Tc: Temps de cycle du gradateur Grandeurs caractéristiques Valeur moyenne de la tension u u = 0 (tension alternative) SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Valeur efficace de la tension u U = V.√α avec α=TON/Tc page 42/65 Tension maximale supportée par les éléments vTmax = V√2 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : COMMANDE PAR MODULATION D’ENERGIE Classe : 2 STE Intérêt de la modulation d'énergie La modulation d'énergie permet de modifier les paramètres des actionneurs en fonction de l'évolution du processus. Pour un actionneur électrique (moteur), le changement de vitesse est assuré par un variateur de vitesse. Pour un actionneur pneumatique (vérin) ou hydraulique, le déplacement est réalisé par un distributeur proportionnel. Variateurs industriels pour moteur asynchrone Intérêt de la variation de la vitesse De nombreux systèmes industriels entraînés par des moteurs électriques utilisent la variation de vitesse pour optimiser leur fonctionnement. Deux technologies permettent d'obtenir cette variation de vitesse : la technologie mécanique (boîte de vitesse, système poulies- courroie, système pignon-chaine, ...) la technologie électronique (convertisseur d'énergie). Avantages des convertisseurs électroniques diminution des pertes mécaniques présentes dans les variateurs mécaniques (poulies et courroies, engrenages), limitation voire suppression des surintensités lors du démarrage, adaptation précise de la vitesse et modification facile, allongement de la durée de vie des constituants mécaniques des systèmes (moins d'à-coups), limitation du bruit, économies d'énergie. Généralités Deux types de moteurs sont présents sur les systèmes : Les moteurs à courant continu : leur vitesse est proportionnelle à la tension d'alimentation. Les moteurs asynchrones : leur vitesse est proportionnelle à la fréquence d'alimentation. Les variateurs de vitesses sont des systèmes qui convertissent les caractéristiques d'une alimentation en fonction d'une consigne donnée. Ils ont plusieurs fonctions parmi lesquelles : Le démarrage : le moteur passe de la vitesse nulle jusqu'à sa vitesse établie en un temps prédéfini et en évitant les pointes d'intensité. La variation de vitesse : modification de la fréquence de rotation du moteur par accélération ou décélération en un temps donné. La régulation : la fréquence de rotation du moteur est maintenue constante quelles que soient les fluctuations de la charge (dans certaines limites). Le freinage : le moteur passe d'une vitesse établie à une vitesse inférieure (ralentissement) ou à la vitesse nulle (arrêt) avec maintien en position possible. L'inversion du sens de rotation : permet de faire fonctionner le moteur dans les deux sens de rotation. La récupération d'énergie : permet lors d'un ralentissement ou d'un freinage des systèmes de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique. Dans ce cas, le moteur fonctionne en génératrice et l'énergie récupérée peut être soit dissipée dans des résistances, soit utilisée pour recharger des batteries ou encore réinjectée dans le réseau. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 43/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : COMMANDE PAR MODULATION D’ENERGIE Classe : 2 STE Fonction du variateur de vitesse Réglage (vitesse, rampe…) Energie Energie électrique MODULER L’énergie Energie électrique modulée en fréquence Variateur de vitesse Structure interne La tension monophasée ou triphasée du réseau est convertie en une tension continue par l’intermédiaire du pont redresseur et des condensateurs de filtrage Cette tension continue est découpée par un pont onduleur pour donner une succession d’impulsions de largeur variable (M.L.I) Réseau triphasé L'ajustement de la largeur des impulsions et leur répétition, permettent d'obtenir une fréquence variable tout en maintenant : le rapport U/f constant. Filtrage Pont redresseur Pont onduleur M1 3~ 0 Tension a l'entrée de l'onduleur SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Tension moteur page 44/65 Courant moteur www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : COMMANDE PAR MODULATION D’ENERGIE Classe : 2 STE Exemple ALTIVAR 11 (doc Telemecanique) Photo Borniers puissance Disposition, caractéristiques et fonctions des bornes contrôle SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 45/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : COMMANDE PAR MODULATION D’ENERGIE Classe : 2 STE Schéma de branchement Commande du sens direct (Li1) et inverse (Li2) Vitesses présélectionnées Réseau triphasé Potentiomètre de consigne Moteur triphasé 200…230 V Paramétrage les paramètres les plus importants sont : BFR : fréquence de base : il faut choisir la même fréquence que celle du réseau (50 Hz) ItH : Protection thermique du moteur : il faut régler ItH à l’intensité nominale du moteur ACC et DEC : rampe d’accélération et de décélération Module et résistance de freinage éventuels BFR (50Hz) Fréquence (Hz) 25 Hz Temps (s) Les rampes sont définies de 0 à BFR, si l’on effectue une rampe de 0 à 25 Hz en 5s, il faut entrer 10s dans le paramètre ACC. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Rampe d’accélération page 46/65 Rampe de décélération www.chari.123.ma L.Technique FONCTION DISTRIBUER : COMMANDE PAR MODULATION D’ENERGIE Classe : 2 STE Distributeur proportionnel Photo et symbole Comparaison des fonctionnements Distributeur « Tout Ou Rien » (TOR) La bobine du distributeur n’est pas alimentée, tous les orifices du distributeur sont fermés. Lorsque la bobine du distributeur TOR est alimentée, le tiroir se déplace complètement à droite, permettant le passage total du débit Distributeur à commande proportionnelle La consigne est nulle (0V) : tous les orifices du distributeur sont fermés. La consigne est non nulle mais de faible valeur. La force de la bobine proportionnelle a déplacé le tiroir en opposition à l’action mécanique du ressort jusqu’à une position d’équilibre. Le débitest faible. La consigne est maximale. La force plus importante de la bobine a déplacé complètement le tiroir à droite. Le débit passant par le distributeur est maximal. Schéma de principe d’un dispositif à commande proportionnelle Le distributeur proportionnel est piloté par une consigne formée d’une tension de valeur comprise entre 0 et 10 V. La consigne est donnée par un API (Automate Programmable Industriel) ou à partir d'un potentiomètre. Elle transmet au distributeur proportionnel, via une carte d’amplification, l'ordre d'atteindre une pression ou un débit souhaité(e). SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 47/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MACHINE SYNCHRONE La machine synchrone est un convertisseur réversible. Elle peut fonctionner soit en génératrice soit en moteur. Lorsqu'elle fonctionne en génératrice, la machine synchrone prend le nom d'alternateur. Alternateur triphasé Photo Symbole normalisé Induit GS GS Inducteur Constitution L’inducteur, constitué d’électroaimants parcourus par un courant continu, ou parfois simplement constitué d’aimants permanents (porté par le rotor). L’induit, constitué d’enroulements monophasés ou triphasés (porté par le stator) Inducteur (porté par le rotor) Il a pour rôle de créer un champ magnétique tournant à l’aide d’un rotor magnétisant mis en rotation. L’inducteur comporte 2.p pôles (p : paires de pôles). Il existe 2 types d’inducteurs : Rotor à pôles lisses Rotor à pôles saillants S N N N S S Rotor à pôles lisses p = 1 Rotor à pôles saillants p = 2 Très robuste, il permet d’obtenir des fréquences de rotation élevées (> 3000 tr/min). Il est utilisé dans les centrales thermiques et les centrales nucléaires. Induit (porté par le stator) Tournant moins vite, et de ce fait fournissant moins de puissance, il est utilisé dans les centrales hydrauliques et les groupes électrogènes. Constitué de trois groupes de conducteurs logés dans des encoches formant trois circuits (un pour chaque phase) décalés les uns des autres d’un angle convenable (120°) et fournissant de ce fait des courants triphasés. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 48/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION CONVERTIR : MACHINE SYNCHRONE Classe : 2 STE Caractéristiques de l’alternateur Fréquence des f.é.m. induites Les enroulements de l’induit sont soumis à un champ magnétique tournant à la fréquence n dite fréquence de synchronisme. Il apparaît donc aux bornes des enroulements de l’induit des f.é.m. induites de fréquence f telles que : f = p.n Avec : p : nombre de paires de pôles n : fréquence de rotation du champ tournant f : fréquence des f.é.m. induites Valeur efficace de la f.é.m. induite par un enroulement Avec : K : coefficient de Kapp qui ne dépend que des caractéristiques technologiques de l’alternateur. N : nombre de conducteurs actifs par enroulement Φmax : flux utile maximal sous un pôle Chaque enroulement génère une f.é.m. induite e = - NS dΦ/dt, dont la valeur efficace s’exprime : E = K.p.n.N.Φmax = K.f.N.Φmax Couplage des alternateurs triphasés La f.é.m. induite définie précédemment est générée par chacun des enroulements. La formule précédente donne donc la valeur efficace d'une tension simple si les enroulements sont couplés en étoile, et la valeur d'une tension composée s'ils sont couplés en triangle. Exemple : A vide, si E = 230 V par phase. Couplage en étoile V Couplage en triangle U U U = √3.E = 400 V U U = E = 230 V Excitation des alternateurs Lorsque l’alternateur est à aimants permanents, il n’a pas besoin d’être excité. Lorsque l’inducteur est constitué d’électro-aimants, ils doivent être traversés par des courants continus fourni par : une source extérieure reliée au rotor par un système de bagues et de balais. l’induit lui-même : une partie des courants triphasés fournis par l’induit sont redressés à l’aide d’un pont de diodes afin de pouvoir alimenter directement l’inducteur : l’alternateur est alors dit auto excité SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 49/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MACHINE SYNCHRONE Fonctionnement en charge Modélisation d’une phase de l’alternateur XS R Pour étudier l'alternateur triphasé, on modélise une phase de l'alternateur par une f.é.m. E en série avec une résistance R et une réactance synchrone XS I V E V = E - RI – j XS I Diagramme vectoriel (synchrone) E RI : Chute ohmique au niveau de chaque enroulement induit XS I : Chute inductive due à la self de fuite et à la réaction d'induit. V Remarque : Si R est négligeable, la représentation se simplifie. φ jXSI RI I Détermination de la réactance synchrone On peut facilement déterminer les éléments du modèle électrique équivalent, à l'aide de deux essais : essai à vide E = f(Ie) essai en court-circuit ICC = f(Ie) On a alors les deux caractéristiques ICC = f (Ie) et E = f (Ie). E0 Pour un courant d'excitation donné Ie0 (zone linéaire), on connaît donc : ICC0 et E0 , on en déduit XS. ICC0 E(Ie) ICC(Ie) Z = E0 / ICC0 et XS =√Z2 - R2 La réactance est généralement très grande devant la résistance d'un enroulement, d’où : Z = E0/ ICC0 ≈ XS Ie0 Bilan des puissances et rendement Bilan des puissances Puissance reçue Puissance restituée L'alternateur reçoit une puissance mécanique PM qui lui est Il restitue une partie de cette puissance sous la forme de fournie par le moteur d'entraînement puissance électrique P qui est reçue par la charge : PM = CM Ω P = √3 U I cos φ SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 50/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MACHINE SYNCHRONE Bilan des pertes de puissance Pertes ne dépendant pas de la charge Pertes par effet Joule Dans l'inducteur : (appelées pertes « constantes ») la puissance perdue par effet Joule est égale à : pje = Ue Ie. Les pertes mécaniques pm dépendent de la fréquence de Avec Ue : la tension continue aux bornes de l'inducteur; rotation; les pertes dans le fer pf dépendent de la fréquence Ie : l'intensité du courant d'excitation. et du flux dans la machine. Pour une machine synchrone Dans l'induit : utilisée à fréquence et tension constantes, elles varient peu la puissance pjs perdue par effet Joule est égale à : entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement à PJS = 3 R I2 pleine charge. 2 On les considère donc comme constantes. Avec R la résistance mesurée entre deux bornes de phase de la machine Expression du rendement η = Dans le cas général, nous pouvons exprimer le rendement en fonction des différentes pertes de puissance : √3 U I cos φ √3 U I cos φ + pm + pf + pje + pjs Moteur synchrone Réversibilité de l’alternateur Expérience Constatation Couplons un alternateur triphasé sur le réseau, puis supprimons l’alimentation du moteur. Déduction Le groupe continue toujours à tourner, l’alternateur est converti en moteur. Puisque le moteur tourne à la vitesse de synchronisme n = f/p, on l’appelle moteur synchrone Fonctionnement : Couple moteur Couple électromagnétique La rotation du système est assurée par le couple: Ω C=μ.B μ: moment magnétique du rotor B : champ magnétique du stator S B θ S F Soit en module : N μ N Cem = μ .B .sin θ L’évolution du couple en fonction de θ C moteur Cmax 0 Zone Zone instable stable Le moteur décroche π/2 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C π Si θ = 0 C = 0 moteur est en arrêt Si 0 < θ < π/2 C est croissant moteur en marche (fonctionnement statique stable). Si π/2 < θ < π C est décroissant moteur décroche. θ page 51/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MACHINE SYNCHRONE Schéma équivalent. Equation .Diagramme Equation Schéma équivalent Diagramme V E = V - R.I - j Xs.I θ φ soit V = E + R.I + j Xs.I I E R XS I jXSI RI V E I est en arrière sur V Avantages Inconvénients La machine synchrone est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant continu. Son rendement est proche de 99%. On peut régler son facteur de puissance cos φ en modifiant le courant d’excitation Ie. Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire. Il faut une excitation, c’est-à-dire une deuxième source d’énergie. Si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête. Moteur synchrone autopiloté Les moteurs synchrones autopilotés sont aussi appelés moteurs Brushless ou moteurs autosynchrones. Ils sont utilisés en commande d’axe de robots : on peut les commander en vitesse ou les commander en position avec un couple à l’arrêt. Schéma de principe Le capteur de position (synchro-résolveur) règle l’instant d’amorçage et de blocage des interrupteurs de manière à avoir le voulu. La vitesse de rotation fixe la fréquence d’alimentation de la machine et impose le synchronisme entre V et E. Moteur synchrone Réseau triphasé Redresseur Variateur Phases du moteur Commutateur électronique Onduleur MLI Commande Capteur de position qui repère l’axe Axe du moteur Moteur Brushless Commande en position Pour commander le moteur en position on détermine le champ statorique dans la direction de la position recherchée. La position réelle du rotor est donnée avec un angle qui peut varier légèrement autour de la position recherchée, en fonction du couple : A l’arrêt sur la position souhaitée, l’angle interne θ dépend de la valeur du couple à l’arrêt 0 < θ < π /2 0 < C < Cmax. Pour obtenir l’accélération la plus rapide possible, il faut travailler avec le couple maximum C max. L’angle interne est fixé à θ = π /2. Cmax = μ Bmax Commande en vitesse Pour travailler en vitesse constante, il faut déterminer l’angle interne en fonction de la valeur du couple fourni. La position du champ statorique est calculée en fonction de la position du rotor et du couple. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 52/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR ASYNCHRONE Moteur asynchrone triphasé Photo Symbole normalisé M ot eur à rot or à cage M 3 M ot eur à rot or bobiné. M 3 Constitution Le moteur asynchrone est constitué de deux parties distinctes : le stator et le rotor. Stator (partie fixe du moteur) Présentation Il est identique à celui des machines synchrones, c’est à dire constitué de 3 enroulements formés de conducteurs logés dans des encoches. Ces enroulements sont parcourus par des courants triphasés, d’où la création d’un champ magnétique tournant à la fréquence n = f / p et à la vitesse Ω = ω / p Couplage sur le réseau Sur la plaque signalétique d’un moteur asynchrone, il apparaît une indication concernant les tensions (ex : 127V/230V). Cela signifie que, quelque soit le réseau, chaque enroulement doit être soumis, au régime nominal, à la tension correspondant à la valeur indiquée la plus faible (ici 127V). En fonction du réseau, il faudra donc réaliser le couplage adapté. Exemple : Indication sur la plaque signalétique : 230V / 400V Chaque enroulement doit donc être soumis à 230 V. Schéma de branchement Les moteurs triphasés possèdent 3 enroulements qui sont reliés à 6 bornes repérées U1, V1, W1 et U2, V2, W2 ; le positionnement de trois barrettes permet d'alimenter le moteur sous deux tensions différentes Couplage étoile Couplage triangle Rotor (partie mobile du moteur) Le rotor n'est relié à aucune alimentation. Il tourne à la vitesse de rotation n'. Il existe 2 possibilités : Rotor à cage d'écureuil Rotor bobiné Il porte un ensemble de barres conductrices, très souvent en aluminium, logées dans un empilement de tôles. Les extrémités des barres sont réunies par deux couronnes conductrices. Le rotor comporte des encoches dans lesquelles sont logés des conducteurs formant un enroulement triphasé. Les enroulements sont généralement accessibles par l’intermédiaire de 3 bagues et de 3 balais, permettant ainsi de modifier les caractéristiques de la machine. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 53/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR ASYNCHRONE Fonctionnement Le stator crée au niveau de l’entrefer un champ magnétique tournant à la vitesse = / p (vitesses de synchronisme) et à la fréquence n = f/p. Le rotor, soumis à ce champ tournant, génère des courants induits qui, conformément à la loi de Lenz, s’opposent à cette rotation en entraînant la rotation du rotor dans le même sens, à la vitesse ’ (à la fréquence n’). Remarque : En charge, cette vitesse ’ est toujours légèrement inférieure à . Glissement g= n – n’ Ω – Ω’ = n Ω n : vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant (tr/s) n’ : vitesse de rotation du rotor (tr/s) ng : vitesse de glissement (tr/s) ng = n – n’ soit : n’ = (1 – g) n n’ = 0 g = 1 n’ = n g = 0 Fréquence des courants induits Le rotor voit un champ statorique tournant à la fréquence de glissement ng = g.n. Soit : fg = g.f = fr Bilan des puissances Puissance absorbée et puissance utile Pa Puissance absorbée : P = √3U I cos S = √3U I Q = √3U I sin Puissance utile : PU = CU Ω’ avec Pu PU = P - ∑ Pertes. Puissance transmise au rotor Cette puissance est transmise au rotor par le couple électromagnétique Ptr = P – Pfs - Pjs = Ce Ω avec Ce: moment du couple électromagnétique en Nm. Ω : vitesse angulaire synchronisme (2..n) en rad/s. Puissance sur le rotor: Pr = Ptr – Pjr = Ce Ω’ avec Ce: moment du couple en Nm. Ω’: vitesse angulaire rotor (2..n’) en rad/s. Pertes constantes Les pertes mécaniques pm dépendent de la fréquence de rotation; les pertes dans le fer pf dépendent de la fréquence et du flux dans la machine. Pour un moteur asynchrone utilisé à fréquence et tension constantes, elles varient peu entre le fonctionnement à vide et le fonctionnement à pleine charge. On les considère donc comme constantes. Pertes joule Pertes Joule Stator Si r est la résistance d’une phase du stator : PJS = 3 rI2 pour le couplage étoile PJS = 3 rj2 pour le couplage triangle Si R est la résistance entre phase du stator couplé et I l’intensité en ligne alors : PJS = 3/2 RI2 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Pertes Joule Rotor Pjr = g Ptr avec Ptr: puissance transmise au rotor g: glissement. page 54/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR ASYNCHRONE Rendement η= PU P = CU Ω’ √3U I cos = P – Pjs – Pfs – Pjr - Pm P Caractéristiques Fonctionnement à vide A vide le moteur n'entraîne pas de charge. Conséquence : le glissement est nul est le moteur tourne à la vitesse de synchronisme. A vide: g = 0 et donc n’ = n et la puissance absorbée P0 = Pmec + Pfs + Pjs0 Fonctionnement en charge Le moteur est maintenant chargé, c'est-à-dire que l’arbre de ce dernier entraîne une charge résistante qui s’oppose au mouvement du rotor. En régime permanent, ou régime établi : Cu = Cr Caractéristique mécanique CU = f (n’) Le point de fonctionnement se trouve sur l’intersection de la caractéristique mécanique du moteur et de la courbe qui caractérise le couple résistant de la charge. La caractéristique mécanique du moteur dans sa partie utile est un segment de droite (d’équation de forme y = ax + b). Cu (Nm) Cr (Nm) Cu1 Pour la tracer, il suffit de deux points : Premier point donné par l’étude d’un cas précis : Cu = a n’ + b Le second se déduit de l’essai à vide : 0 = a n + b Le point de fonctionnement (Cu1 ; n’1) permet de calculer très facilement le glissement et la puissance utile dans ce cas bien précis. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 55/65 0 n'1 n n' (tr/s) www.chari.123.ma L.Technique FONCTION CONVERTIR : MOTEUR ASYNCHRONE Classe : 2 STE Problème posé par le démarrage des moteurs asynchrones triphasés Lors de la mise sous tension d'un moteur, l'appel de courant Id sur le réseau est souvent important (4 à 8In). Cette forte intensité peut provoquer des chutes de tension en ligne. C’est le cas du démarrage direct. Démarrage direct Principe Courbes C'est le mode de démarrage le plus simple dans lequel le stator est directement couplé sur le réseau. Le moteur démarre sur ses caractéristiques naturelles. Ce démarrage est utilisé lorsque le courant à la mise sous tension ne perturbe pas le réseau (chutes de tension dans les câbles). Démarrage étoile-triangle Principe Courbes Ce démarrage consiste à coupler le stator en étoile pendant le démarrage, puis à rétablir le couplage en triangle Il se fait en 2 temps : Premier temps : On démarre en étoile, chaque enroulement reçoit une tension √3 fois inférieure à sa tension nominale. Conséquence : l’intensité absorbée est divisée par 3. Second temps : 2 à 3 secondes après, on bascule en triangle puis on y reste. Inconvénient : le couple au démarrage est également divisé par 3! Conséquence: Ce procédé n'est possible que si le moteur a été conçu pour fonctionner en triangle sous la tension composée du réseau. Ce démarrage convient aux machines de moyenne puissance (P<50KW) démarrant de préférence à vide ou à faible couple résistant : ventilateurs, machines-outils.... SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 56/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR ASYNCHRONE Schéma d’un démarreur étoile / triangle Circuit de commande F1 95 F2 96 1 S1 2 13 3 KM2 14 4 13 KM1 14 KM2 68 55 KM2 56 67 21 21 KM3 KM1 2 A1 A1 22 A1 Circuit de puissance Fonctionnement Q1 S2 A2 KM1 A2 KM2 Q1 KM2 1 3 5 2 4 6 1 3 5 2 4 6 0 1 KM3 2 3 5 4 1 6 2 3 5 4 KM1 6 Ordre de marche 1 M1 1 3 5 2 4 6 F2 KM2 Temporisation 2 U1 V1 W1 KM1 KM2 Ouverture de KM1 3 KM2 KM3 Ordre d’arrêt W2 U2 V2 A2 KM3 Réduction de courant de ligne dans le rapport √3. Réduction du couple dans le rapport 3. Les bilames de F2 mesurent le courant J et pas le courant de ligne I. On règle donc le thermique à In/√3. Démarrage par gradateur de tension (démarreur électronique) Principe Circuit de puissance Le moteur asynchrone triphasé est alimenté par l’intermédiaire d’un gradateur qui provoque la montée progressive de la tension. On peut réduire l’intensité de démarrage à une valeur précise en agissant sur l’angle de commande des thyristors. Pour limiter l’appel de courant au démarrage, on réduit la tension efficace ce qui limite le couple moteur au démarrage. On doit donc s’assurer en permanence que le couple de démarrage soit supérieur au couple résistant du système à entraîner SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 57/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR ASYNCHRONE Démarrage rotorique Principe Le démarrage rotorique consiste à insérer, dans un premier temps, des résistances en série avec l’enroulement rotorique afin de limiter les courants rotoriques et ainsi réduire l’appel d’intensité. Dans un deuxième temps on court-circuite les enroulements rotoriques. Le démarrage est terminé. Schéma d’un démarreur rotorique Circuit de commande Q1 S2 F1 95 F2 96 1 S1 2 13 3 KM1 14 4 Circuit de puissance Q1 KM1 U1 A2 KM1 3 5 2 4 6 1 3 5 2 1 4 3 6 5 2 4 6 0 Ordre de marche Temporisation RhH 1 3 5 4 KM2 6 M1 K A2 2 M L KM1 2 V1 W1 A1 KM1 1 F2 68 KM1 67 A1 1 Fonctionnement KM2 Ordre d’arrêt KM2 Ce type de démarrage est en voie de disparition, le meilleur choix économique étant le variateur électronique. Exemple de plaque signalétique MOT. LS 80 L 3~ T kg N°7345 BJ 70 002 9 40°C Fréquence nominale Tension triangle Tension étoile IP 55 LcL .F S1V Hz tr/min kW Cos A 0,83 3 1,9 Courant nominal en ligne triangle min 230 400 50 2800 0,75 Vitesse nominale de rotation Courant nominal en ligne étoile Puissance utile SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 58/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR PAS A PAS Moteurs pas à pas Photo Symbole normalisé M Description Un moteur pas à pas transforme des impulsions de commande en une rotation de "n" pas du rotor : il permet donc un positionnement précis sans boucle d’asservissement. A chaque impulsion du signal de commande correspond au niveau du rotor un déplacement angulaire défini appelé « pas ». 1 Automate, PC, microprocesseurs, oscillateur (quartz, …) Signal horloge Sens Mode (ex: demi-pas) Génération des signaux 2 de commande de chaque bobine Circuit de 3 puissance (transistors) Moteurs pas à pas 4 On distingue 3 catégories technologiques : moteur à aimants permanents moteur à reluctance variable moteur hybride Résolution angulaire Un moteur pas à pas est caractérisé par sa résolution angulaire ou encore son nombre de pas par tour. Il peut avoir une valeur comprise entre 0,9°et 90°. Les valeurs les plus couramment rencontrées sont : 0,9° : soit 400 pas par tour 1,8° : soit 200 pas par tour 3,6° : soit 100 pas par tour 7,5° : soit 48 pas par tour 15° : soit 24 pas par tour La vitesse de rotation est fonction de la fréquence des impulsions Moteur à aimants permanents Constitution Il comprend : un stator à 2 paires de pôles (partie fixe) un rotor bipolaire constitué d’un aimant permanent (partie mobile) Fonctionnement Les bobines diamétralement opposées constituent les phases. Elles sont connectées de façon à créer un pôle Sud et un pôle Nord. En inversant les sens des courants dans une phase, on permute les pôles engendrés par une bobine. Le rotor se déplace alors et prend une nouvelle position d’équilibre stable. Caractéristiques Nombre de pas par tour plus faible, dû à la difficulté de loger les aimants du rotor. Construction plus élaborée. Couple moteur élevé, dû à la puissance des pôles aimantés (Couple proportionnel au courant). Sens de rotation lié à l'ordre d'alimentation des bobines et au sens du courant dans les bobines. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 59/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION CONVERTIR : MOTEUR PAS A PAS Classe : 2 STE Moteurs pas à pas à réluctance variable Constitution Ce moteur comporte une denture dont le pas n’est pas le même au stator et au rotor ; le rotor n’est pas aimanté. Exemple : Stator 8 pôles et rotor 6 pôles Pas statorique : αs = 360°/8 = 45° Pas rotorique : αr = 360°/6 = 60 Fonctionnement Quand on alimente les bobines AA', puis BB' et enfin CC', le rotor se place de telle façon que le flux qui le traverse soit maximal ; la réluctance est donc minimale. Pour rendre la réluctance variable, le rotor et le stator auront des encoches disposées de telle façon qu'il n'existe qu'une seule possibilité pour diminuer la réluctance compte-tenu de la bobine alimentée. Le nombre de pas par tour est donné par la relation : Np = 360 / (r - s) Avec : - r : Pas dentaire rotorique (en degrés) - s : Pas dentaire statorique (en degrés) Caractéristiques Nombre de pas par tour important (bonne résolution) ; Construction assez facile ; Couple moteur (proportionnel au carré du courant dans les bobines) assez faible ; Sens de rotation lié à l’ordre d’alimentation des bobines. Ce moteur présente une simplicité de construction mais du fait de son faible couple moteur, il est le plus souvent remplacé par des moteurs pas à pas à aimant permanent ou hybrides. Moteur pas à pas hybride Constitution C'est un moteur qui associe les deux principes précédents ; on l'appelle aussi moteur réluctant polarisé. Il existe des dispositions très variables selon les constructeurs et le nombre de pas par tour (résolution). SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 60/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR PAS A PAS Fonctionnement Son fonctionnement est sensiblement identique à celui du moteur à aimant permanent. Les figures suivantes montrent les positions successives du rotor après l'alimentation des bobines du stator. Caractéristiques Très bonne résolution. Couple moteur élevé dû à l'aimantation du rotor (proportionnel au courant). Sens de rotation lié à l'ordre d'alimentation des bobines et au sens du courant. Alimentation des phases des moteurs pas à pas Le principe de fonctionnement des moteurs pas à pas repose sur la commutation successive des enroulements stator (ou phase). Pour cela, une impulsion électrique est traduite par un séquenceur agissant sur une électronique de commutation (drivers ou transistors de puissance) qui distribue les polarités dans les enroulements. Une seule commutation provoque un seul pas quelle que soit la durée de l’impulsion (supérieur à une valeur minimale). Alimentation unipolaire Alimentation bipolaire Les enroulements sont à point milieu. Les bornes sont toujours alimentées par une polarité de même signe (d’où le terme unipolaire). Les enroulements du stator n’ont pas de point milieu. Chaque borne de chaque enroulement est alimentée par une polarité positive puis négative (d’où le terme bipolaire). - S S N N - + +U +U E F G A H 0V SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C B C D 0V page 61/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR : MOTEUR PAS A PAS Ordre d’alimentation des phases Modes de commande H1 P H’4 Les signaux de commande d’un moteur à 2 ou 4 phases sont absolument identiques. Dans notre cas, il s’agit d’un moteur pas à pas unipolaire. L’excitation individuelle des bobines est assurée par l’un des interrupteurs P, R, Q, S. H’1 R H4 + H’2 H’3 H3 Principe Mode 1 commande en pas entier Mode 2 commande décalée en pas entier R 0 1 0 0 Q 0 0 1 0 S 0 0 0 1 Moteur S P R Q S L’excitation par paire des bobines crée les champs suivants : P-R H’1 R-Q H’2 Q-S H’3 S-P H’4 Etablir le cycle de commutation : P R P R Q S Moteur 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 La combinaison des deux modes permet de doubler le nombre de pas, le rotor s’alignant successivement face à un pôle et entre 2 pôles. Etablir le cycle de commutation : P R Q S Moteur Mode 3 1 0 0 0 Commande 1 1 0 0 en 0 1 0 0 demi-pas 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Q chronogrammes L’excitation individuelle des bobines crée les champs suivants : P H1 R H2 Q H3 S H4 Ce qui donne le cycle de commutation : P 1 0 0 0 V H2 Q S P R Q S page 62/65 www.chari.123.ma L.Technique FONCTION CONVERTIR: CONVERTISSEURS HYDRAULIQUES Classe : 2 STE Les convertisseurs hydrauliques transforment l’énergie hydraulique en énergie mécanique. On distingue : Les récepteurs pour mouvement de translation: les vérins. Les récepteurs pour mouvement de rotation: les moteurs hydrauliques. Vérins Un vérin est l’élément récepteur de l’énergie dans un circuit hydraulique. Il permet de développer un effort très important avec une vitesse très précise. Commande Energie hydraulique Energie mécanique Transformer l’énergie (Mouvement de translation) Vérin hydraulique Principaux types de vérins symboles schémas Vérin simple effet L’ensemble tige piston se déplace dans un seul sens sous l’action du fluide sous pression. Le retour est effectué par un ressort ou charge. Avantages : économique et consommation de fluide réduite. Inconvénients : encombrant, course limité. Utilisation : travaux simples (serrage, éjection, levage…) Vérin double effet L’ensemble tige piston peut se déplacer dans les deux sens sous l’action du fluide. L’effort en poussant est légèrement plus grand que l’effort en tirant. Avantages : plus souple, réglage plus facile de la vitesse, amortissement de fin de course réglable. Inconvénients : plus coûteux. Utilisation : grand nombre d’applications industriels Vérins spéciaux 1- Vérin à tige télescopique : simple effet permet des courses importantes tout en conservant une longueur repliée raisonnable. 2- Vérin rotatif : l’énergie du fluide est transformée en mouvement de rotation. L’angle de rotation peut varier de 90° à 360°. Les amortissements sont possibles. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 63/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR: CONVERTISSEURS HYDRAULIQUES Dimensionnements des vérins Pour déterminer la pression (p) d’utilisation d’un vérin il faut connaître - La force F nécessaire à développer. - La section annulaire S. S = π x r² ou S = π x d²/4 S = S2 – S1 F (N – daN) (Pa – Bar) S (m2 – cm2) Pression: P = S1 S2 Détermination des vitesses de sortie et de rentrée des tiges de vérins hydrauliques Formule classique : V = Q/S2 S = S2 – S1 Avec: V est en [m/s] ; Q est en [m3/s] et S2 est en [m2] S2 Formule pratique: V = Q/ (0.06xS2) Avec: V est en [cm/s] ; Q est en [L/mn] et S2 est en [cm2] Puissance d’un vérin Travail utile effectué par le vérin F = force utile du vérin Travail utile effectué par le vérin est : d F W=Fxd Puissance utile Donc : P = W/t or W = F x d d’où P = F.d /t mais comme d (course) égale la vitesse : v.t P = F. V (Watt) (N) (m/s) Puissance absorbée (hydraulique) Donc : Caractérisée par deux grandeurs : le débit noté Q et la pression notée P. P = Q. P (Watt) (m3/s) (Pa) Exercices EX1 : On doit déplacer une charge de 10 T à l’aide d’un vérin. Sachant que le diamètre de la tige du vérin est de 20 mm et que son alésage est de 100 mm. Calculer la pression p1 nécessaire pour pousser la charge et la pression p2 . On donne g = 9,81. Vous exprimerez vos résultats en unité légale puis en unité pratique. EX2 : Le piston d’un vérin a une surface de 40 cm². Ce vérin reçoit un dédit de 24 L/min. Quelle est : 1/La vitesse V de déplacement en sortie de tige. V = … 2/La durée de la course si celle-ci fait 20 cm. t = …. EX3 : Pour élever une charge de 6 000 N de 1,5 m il faut fournir un travail de : W = ………… EX4 : Un vérin D.E. a pour section côté piston 40 cm². Il reçoit un débit de 36 L/min. La pression de service est de 80 bar. Calculer : 1/La puissance fournie par le vérin. 2/La puissance nécessaire au récepteur sachant que le rendement global de l’installation est de 60 %. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 64/65 www.chari.123.ma L.Technique Classe : 2 STE FONCTION CONVERTIR: CONVERTISSEURS HYDRAULIQUES Application en commande proportionnelle Variation de vitesse de la tige d’un vérin Débit d’huile provenant de la pompe Tension de consigne Uc Consigne Carte électronique de A Distributeur proportionnel puissance Uc = f(I) - Potentiomètre - Clavier - Automate - etc …. 1C B Régulation et asservissement de la vitesse de la tige d’un vérin Débit d’huile provenant de la pompe Tension de consigne Uc Consigne Carte de régulation Carte électronique de puissance Uc = f(I) A Distributeur proportionnel 1C B - Potentiomètre - Clavier - Automate - etc …. Dispositif permettant de mesurer la vitesse de déplacement du vérin et de la transformer par exemple en signal ( -10 + 10 V cc ) Asservissement en position de la tige d’un vérin Débit d’huile provenant de la pompe Tension de consigne Uc Consigne Carte de régulation Carte électronique de puissance Uc = f(I) A Distributeur proportionnel B - Potentiomètre - Clavier - Automate - etc …. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C Potentiomètre permettant de donner une résistance proportionnele au déplacement page 65/65 www.chari.123.ma