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UNIVERSITE KASDI MERBAH – OUARGLA FACULTE DES HYDROCARBURES, DES ENERGIES RENOUVELABLES, DES SCIENCES DE LA TERRE ET DE L’UNIVERS. DEPARTEMENT DES HYDROCARBURES

EQUIPMENT ELECTRIQUES ET REGULATION INDUSTRIELLE Eléments de cours Niveau : 2ème Année Mastère

Préparé par : Kadri Ahmed Yacine Année Académique 2013/2014

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CHAPITRE 1 ÉQUIPEMENTS ÉLECTRIQUES POUR LE FORAGE PÉTROLIER

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1.1

Description d’une typique installation de forage.

L’installation de forage est un système complexe d’appareils commandés par l’énergie électrique. Il existe différents types d’installations de forage. La principale caractéristique pour les classifier est la “drilling capacity” (profondeur maximale pouvant être atteinte par un train de forage). L’installation la plus classique consiste à forer le sous-sol avec des machines perforatrices spécifiques dotées de trépans tournants montés sur des plates-formes avec des colonnes de tubes. Indépendamment de la puissance ou capacité de forage, toute plate-forme comprend deux sections principales qui doivent travailler en coordination pour atteindre l’objectif. Les deux sections sont:  section de la boue (MUD SECTION)  section de forage (DRILLING SECTION). La “boue” est un fluide spécial stocké dans des cuves, constitué surtout par de l’eau et diverses substances densifiantes. La “boue” permet de contrôler la pression hydrostatique du puits et d’éviter l’introduction de courants indésirables dans le puits. Grâce à des pompes spéciales entraînées par des moteurs électriques, la boue est envoyée à l’intérieur de la colonne de forage pour lubrifier et refroidir la pointe de la tête rotatoire et reporter à la surface les détritus de forage provenant de l’espace annulaire du trou. Le forage s’effectue au moyen d’une tête munie d’éléments coupants et montée sur une tour verticale combinant deux actions mécaniques simultanées: le poids et la rotation. Le mouvement de rotation est imprimé par une table de rotation mise en mouvement par des moteurs électriques de grande puissance à vitesse réglable. Le mouvement vertical de la colonne est réalisé par un treuil dosant le poids sur la tête tournante.

Rotation Poids sur l’outil

Injection du fluide

FIG 1.1 : opération de forage

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La figure suivante montre les différents appareils dans un chantier de forage.

Réservoir Combustible

Moteur diesel

Combustible Salle de commande électrique

Atelier

Salle de contrôle de Tiges de forage forage

Pompe à boue

Bacs à boue Bacs à eau

Treuil

FIG1.2 : Les différents appareils dans un chantier de forage

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FIG1.3 : Les différents éléments d’une sonde de forage

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FIG1.4 : Les différents éléments d’une sonde de forage

1.2 Installations électriques pour installations de forage du pétrole. Voici quelques notions importantes se référant aux installations de forage du pétrole: • toutes les opérations sont réalisées avec des moteurs électriques; • l’énergie pour les machines et les installations de forage est de type énergie électrique; • l’installation de forage est presque toujours indépendante, l’énergie électrique est produite in site au moyen de générateurs entraînés par de gros moteurs Diesel; • pour rendre autonome l’installation pendant plusieurs jours, le carburant, les lubrifiants et l’eau nécessaire pour le processus de forage sont stockés dans de grands réservoirs situés dans la zone de l’installation; 1.3 GÉNÉRATION DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE • L’énergie électrique est générée par alternateurs triphasés, en général avec une tension de 3 x 600 Vca – 60 Hz; la puissance nécessaire pour une installation normale de moyenne capacité est d’environ 2400 kW; l’énergie produite par 3-4 générateurs est de 600-800 kW. • Le moteur primaire entraînant chaque générateur est un moteur Diesel de haute puissance à 1200 tours/mn • Le générateur est de type brushless triphasé avec tension de 3 x 600 Vca • Les groupes moteur-générateur sont logés dans des conteneurs, emmagasinés pendant le transport ou les arrêts pour être préservés des agents atmosphériques adverses et ouverts pendant le service pour faciliter le refroidissement si l’on n’a pas prévu des systèmes de ventilation forcée. • Toutes les protections de la machine, les instruments de mesure et les dispositifs de parallèle sont concentrés dans un conteneur appelé “Cabine de contrôle”. • La consommation d’énergie varie selon les opérations de l’installation, par conséquent pour optimiser le rendement et préserver les moteurs Diesel de l’usure, il est indispensable d’activer et de mettre en parallèle plusieurs générateurs sur la base à la demande de puissance électrique et de les éteindre quand elle baisse. Page 5

FIG 1.5 : Le groupe électrogène

1.4 PRINCIPALES UTILISATEURS ÉLECTRIQUES DANS L’INSTALLATION DE FORAGE • Toute l’énergie générée et consommée est d’origine électrique, les gros consommateurs sont les deux pompes pour la boue, la table de rotation et le treuil de la colonne de forage. • L’installation normale de moyenne capacité pour des forages de l’ordre de 6000 m possède deux moteurs de 600 kW pour chacune des pompes de la boue (MP1, MP2), deux autres moteurs de 600 kW pour le treuil (DWK) et un moteur -toujours de 600 kW - pour la table de rotation (RT). • La consommation électrique varie en fonction des opérations de forage; pas tous les moteurs travaillent simultanément (voir le tableau suivant). OPERATIONS

MP1

Elévation du train de forage Descente du train de forage Forage

MP2 DWK

RT

•

DWK Brake

•

• •

•

•

• Les gros moteurs électriques utilisés sont de deux types: - moteurs de courant continu, pour applications de traction, dotés de leurs actionnements à SCR (BAY) - moteurs asynchrones triphasés à cage conçus pour travailler à une fréquence variable au moyen de convertisseur. 1.5 LES ACTIONNEMENTS DE PUISSANCE (BAYS) • L’installation normale de moyenne capacité est constituée par 4 BAYS de puissance à SCR, associés respectivement aux moteurs de chaque pompe de la boue (MP1, MP2), aux moteurs du treuil (DWK) et au moteur de la table de rotation (RT). • L’association dispositif actionneur-moteur peut être modifiée pour faire face à des pannes ou à des cycles d’entretien des dispositifs actionneurs sans arrêter le processus de forage (voir le tableau suivant).

DRIVE BAY 1 2 3 4

MP1

MP2

• •

• •

DWK

RT

• • •

• • Page 6

1.6 AUTRES SERVICES ÉLECTRIQUES • Un transformateur triphasé 600/400 V alimente les services électriques de la plate-forme, comme les ventilateurs, les pompes d’eau, les dégazeurs, etc., et les logements du personnel. • Un autre transformateur triphasé 600/120 V alimente les circuits d’éclairage à l’intérieur des locaux de la plate-forme et à l’extérieur de la zone des travaux. En résumé : La force motrice est produite par trois génératrices (engine generator) (diesel électrique) qui fournissent Trois tensions triphasées. Ces dernières sont ensuite envoyées à la salle de commande électrique (Control cabinet) pour qu’elles soient redressées et adaptées pour l’alimentation des moteurs électriques à courant continu entrainant les pompes à boue (mud pump), la table de rotation (rotary table) et le treuil (draw works). Les moteurs électriques sont commandés par le chef de poste à travers panel control qui dispose des afficheurs qui permettent la lecture : du poids, pression, vitesse …

Moteurs diesel Génératrice triphasées

Transformateur

Redressement

Pompe

Treuil

Table de rotation

FIG 1.6 : Schéma de l’alimentation électrique d’un appareil de forage

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CHAPITRE 2 GENERALITES SUR LES MACHINES ELECTRIQUES:

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2.1 Les machines à courant continu 2.1.1 Principe et constitution de la machine à courant continu Fonctionnement et réversibilité. En déplaçant un conducteur fermé dans un champ magnétique, on engendre un courant (cas de la génératrice). Inversement, ce même conducteur, parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique, est soumis à une force électromagnétique (cas du moteur). Ces deux principes sont présents dans une machine à CC, qui est donc réversible. • Constitution. On considère le cas simple d’une machine bipolaire (Fig 2. 1). – L’inducteur, au stator, est la partie fixe. Parfois c’est un aimant permanent, pour les petites puissances, mais en général c’est un électroaimant constitué de deux bobines en série qui, alimentées en courant continu, créent un pôle nord et un pôle sud (Fig2.1). Le champ magnétique dans l’entrefer est maximal dans l’axe des pôles, et nul dans la direction perpendiculaire à cet axe, appelée ligne neutre. – L’induit, au rotor, est la partie tournante. C’est un cylindre ferromagnétique feuilleté constitué d’encoches dans lesquelles sont répartis des conducteurs. C’est un enroulement fermé sur lui-même. Calé sur le rotor se trouve le collecteur, constitué de lamelles conductrices isolées entre elles. Le courant est acheminé dans le cas du moteur, ou Fig 2.1 Constitution de la machine à CC récupéré dans le cas de la génératrice, grâce à deux balais en carbone frottant sur le collecteur, constitué de lamelles conductrices isolées entre elles. Le courant est acheminé dans le cas du moteur, ou récupéré dans le cas de la génératrice, grâce à deux balais en carbone frottant sur le collecteur. 2.1.2 Schémas équivalents de la machine, fonctionnements en moteur et en génératrice La machine est composée, vue de l’induit d’un bobinage comportant sa résistance propre et son inductance propre. Par ailleurs, lors de la rotation du rotor, l’inducteur étant parcouru par un courant donné, il se produit aux bornes de la machine une force électromotrice dite « interne ». Cette force électromotrice ne dépend que de la vitesse de rotation et de la valeur du flux inducteur. Ces caractéristiques sont communes aux fonctionnements moteur et générateur. En définitive, le schéma équivalent de la machine à CC est commun à tous les régimes de fonctionnement,

Figure 2.2 Schémas équivalents et relations importantes de la machine à courant continu. Page 9

2.1.3 Le moteur à courant continu. Le symbole des moteurs à courant continu :

2.1.4 Principe de fonctionnement du moteur à courant continu :

L'inducteur crée un champ magnétique, ce dernier sort du pôle nord, traverse l'entrefer et pénètre dans le rotor, en balayant l'enroulement rotorique, puis rejoint le pole sud. Les enroulements rotorique, déjà alimentée à travers le collecteur et les balais, sont traversé par un courant électrique, qui garde le même sens de circulation, grâce au collecteur, au prés de chaque un des pôles statoriques. Les deux brins d’une spire placée dans le champ magnétique B , subissent des forces de Laplace F 1 et F 2 formant un couple de force qui fait tourner le rotor.

FIG 2.3 Circuit magnétique d’un moteur à continu bipolaire

FIG 2.4 Représentation des vecteurs s'exerçant sur les conducteurs du rotor

2.1.5 Caractéristiques des moteurs à Courant continu - Plage de variation de vitesse très grande (> 1000 en boucle d'asservissement) - Couple de démarrage important, idéal pour l'entraînement de charges à forte inertie. - Rapport volume/puissance très supérieur à toutes les autres technologies - Rendement élevé - Linéarité tension/vitesse, couple/courant Mais : - Prix élevé - Maintenance coûteuse (remplacement des balais en graphite, usure du collecteur) - Source importante de parasites (étincelles de commutation sur le collecteur Pb CEM)

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2.1.6 Relations fondamentales La force contre électromotrice FCEM Expression de la fém. L’induit étant en rotation, les conducteurs coupent le flux magnétique inducteur et sont le siège d’une tension induite alternative. Le collecteur redresse cette tension ; le nombre d’encoches étant important, la fém E entre les balais est quasiment continue. Si on pose avec N: Nombre de conducteurs actifs sous un pôle, : Vitesse de rotation en rad/s, n: Vitesse de rotation en tr/s, : Flux sous un pôle en (Wb), E: Force contre électromotrice en V, p: Nombre de paire de pôle ; a: Nombre de paire de voie d'enroulement Loi d’Ohm E : fém (V) ; U : tension d’induit (V) ; I : courant d’induit (A) ; R : résistance d’induit (V) qui tient compte de l’enroulement, du collecteur et des balais. Vitesse de rotation La loi d’Ohm et l’expression de la fém donnent : ce qui donne

Lorsque le flux est nul la vitesse tend vers l’infini, le moteur s’emballe. Il ne faut jamais alimenter l’induit d’un moteur à courant continu sans un courant d’excitation. Si on néglige la chute de tension RI et si le flux est constant on peut considérer que: Donc que la vitesse est directement proportionnelle à la tension moyenne d’alimentation Puissance électromagnétique Puissance électromagnétique est convertie en puissance mécanique. : Puissance électromagnétique; : Flux sous un pôle en (Wb) ; n: Vitesse en tr/s : Moment du couple électromagnétique (Nm) ; I: Intensité en A ; : Vitesse de rotation en rad/s E: Force contre électromotrice en V Puissance électrique absorbée Pa Couple moteur Le couple moteur, calculé à partir de la relation:

D’où le couple moteur

Le couple utile est inférieur du fait des pertes mécaniques Page 11

2.1.7 Les différents types des moteurs à courant continu : Selon les différents montages possibles entre les enroulements rotoriques et statoriques on obtient les différents types existants, on trouve donc : a. Moteur à excitation indépendante : Ce mode d’excitation nécessite deux sources d’alimentations distinctes. L’inducteur et l’induit sont alimentés séparément.

FIG 2.5 Schéma d'un moteur à courant continu

Réglage de la vitesse. à excitation indépendante

On peut régler la vitesse en agissant sur , donc sur l’excitation, ou sur la tension U (alimentation de l’induit) : – L’action sur l’excitation, avec un rhéostat de champ ou une tension Ue réglable, n’offre qu’une variation limitée, et n’est pas possible si l’inducteur est à aimants permanents. – L’action sur la tension d’induit résout le problème du démarrage. En conclusion, la souplesse de ces deux réglages indépendants confère à ce moteur une grande précision. Risque d’emballement: Si l’excitation s’annule alors que l’induit est encore alimenté, le moteur s’emballe et peut détruire l’induit. En conséquence : – Il ne faut jamais couper le circuit d’excitation. – Pour arrêter le moteur, il faut couper l’induit avant l’inducteur. Conditions de démarrage – On alimente l’inducteur avant l’induit en réglant Ie à sa valeur nominale.

– Il faut limiter le courant d’induit ID au démarrage (ID < 2IN en général) en démarrant sous tension réduite, grâce à un hacheur ou un redresseur commandé. – On peut démarrer en charge si où est le couple résistant opposé par la charge au démarrage. En conséquence le moteur possède un couple important au démarrage.

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Bilan des puissances Pjs

Pjr

Pa Puissance électrique

Pm

Entrefer Puissance électromagnétique

Pertes constantes

Puissance mécanique

Fig. 2.6 Arbre des puissances Puissance électrique absorbée

Pertes joule inducteur

Pertes joule induit

Les pertes constantes

La puissance mécanique utile Pu

U : tension d’induit et Ue : tension de l’inducteur (V) ; I : courant d’induit et Ie : courant de l’inducteur (A) ; R : résistance de l’induit et r : résistance de l’inducteur (V) ; TU : couple utile sur l’arbre (Nm) ; : vitesse de rotation (rad/s). – Rendement

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b. Moteur à excitation série : Pour ce type de moteur, les enroulements statorique et rotorique sont alimentés en série. La tension d'alimentation est partagée en le rotor et le stator.

Fig2.7 Schéma d'un moteur à courant continu à excitation série

Loi d’Ohm : U=E+ avec RT = R + r Fém et couple. Deux cas se présentent : – La machine est saturée (zone b), le flux est sensiblement constant et on retrouve le cas d’une machine à excitation constante. – La machine n’est pas saturée (zone a) et le flux est proportionnel au courant. La fém et le moment du couple deviennent : Fig2.8 Saturation (excitation série)

Conditions de démarrage – Le courant de démarrage doit être. limité comme dans l’excitation séparée – On ne doit jamais démarrer à vide sous tension nominale car sinon, le moteur s’emballe et l’induit peut être détruit. Réglage de la vitesse. Il se fait par action sur la tension d’alimentation, comme pour le moteur à excitation séparée. En conclusion, ce moteur possède un fort couple au démarrage, supérieur au moteur précédent, mais s’emballe à vide. Il est utilisé pour des couples élevés à basse vitesse : traction ferroviaire (TGV Sud-Est), démarreur de voitures, etc. c. Moteur à excitation composée (ou compound): Dans le moteur compound une partie du stator est raccordé en série avec le rotor et une autre est de type parallèle ou shunt. Ce moteur réunit les avantages des deux types de moteur : le fort couple à basse vitesse du moteur série et l'absence d'emballement (survitesse) du moteur shunt.

exs

Fig2.9 Schéma d'un moteur à courant continu à excitation mixte Page 14

2.1.8. Caractéristiques des moteurs à Courant continu Ce sont des courbes qui traduisent graphiquement les relations entre les variables du courant absorbé, vitesse et couple moteur. Elles varient selon le type du moteur. Caractéristiques

Dérivation

Série

Caractéristique de vitesse (

)

La vitesse varie peu avec la charge

Le moteur s'emballe à vide

Caractéristique de couple TU(I)

La charge impose le courant dans l'induit

(en l'absence de saturation) La charge impose le courant dans l'induit

Caractéristique mécanique ou couple-vitesse

(

) Le moment du couple est maximal au démarrage

Caractéristique mécanique à tension d'induit variable

On règle la vitesse

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On règle la vitesse

Excitation Dérivation

Série

composé Flux additif composé Flux soustractif

Particularités Moteur auto-régulateur de vitesse. La vitesse est relativement constante quelque soit la charge Moteur auto-régulateur de puissance Posséde un trés grand couple de démarrage mais risque l'emballement à vide La vitesse décroit quand la charge augmente Ne s'emballe pas Couple de demarrage meilleur qu'en excitation dérivation Risque d'emballement du fait de l'annulation du flux résultant des enroulements

Emplois Entrainement de machines-outils Remplacé par le moteur asynchrone triphasé le moteur qui convie le mieux en traction électrique

Laminoirs, appareils de levage et de manutention Utilisé aussi en excitati indépendante Pratiquement ce moteur n'est plus utilisé

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2.1.9 Démarrage d’un moteur à courant continu Le courant absorbé par un MCC est:

A la mise sous tension et au décollage, la vitesse du moteur est nulle donc la FCEM aussi, Le courant n’est donc plus limité que par la valeur de R, résistance d’induit, d’où

L’intensité de démarrage est beaucoup trop importante. Pour limiter cette pointe d’intensité au démarrage on place en série avec le moteur une résistance de démarrage. On considère que l’intensité de démarrage doit être comprise entre 1 et 2 fois l’intensité nominale.

Le Rhéostat comporte, en général, plusieurs plots de façon à diminuer progressivement la résistance Rh, au fur et à mesure que la vitesse augmente. Schéma développé

FIG 2.10 rhéostat de démarrage d’un MCC Q interrupteur de mise sous tension F Fusibles de protection Rh Rhéostat de démarrage avec plot mort. A Armature mobile ou culasse. B Bobine à minimum de courant dans le circuit d’excitation et armature fixe. - A la mise sous tension, le circuit d’excitation est alimenté avec le courant maximum (Rhéostat d’excitation Re au minimum de résistance) - En déplaçant le curseur du rhéostat de démarrage (Rd), on passe du plot mort à la résistance maximum, en fin de démarrage Rd = 0. La manette mobile M plaque l’armature A sur le noyau B. En cas de coupure du circuit d’excitation (risque d’emballement du moteur), la manette M est ramenée à zéro par un ressort et le moteur s’arrête. On assure ainsi la protection contre les risques d’emballement du moteur.

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Démarrage semi automatique a) moteur à excitation séparée deux sens de marche Conditions de démarrage – On alimente l’inducteur avant l’induit en réglant Ie à sa valeur nominale. – Il faut limiter le courant d’induit ID au démarrage (ID < 2IN en général) en démarrant sous tension réduite, grâce à un hacheur ou un redresseur commandé. – On peut démarrer en charge si où est le couple résistant opposé par la charge au démarrage. En conséquence le moteur possède un couple important au démarrage. Freinage

Le freinage du moteur utilise le principe de la réversibilité (Fig.2.11). L’induit est relié à un rhéostat. Entraînée par son inertie, La machine fonctionne en génératrice et dissipe son énergie dans le rhéostat. On peut aussi récupérer cette énergie avec des procédés électroniques et la renvoyer sur l’alimentation (freinage avec récupération). Fig2.11 Réversibilité

Schéma de puissance Le sens de rotation est dépendant des polarités, pour inverser le sens de rotation il suffit d’inverser le sens du courant soit dans l’inducteur soit dans l’induit. A la fermeture de KM1 le moteur tourne dans un sens, à la fermeture de KM2 le moteur tourne dans l’autre sens. Dans les deux cas l’inducteur est alimenté sous la même polarité par KM1 ou KM2

Schéma de commande Au démarrage Le courant d’excitation doit être maximum, et les résistances R1 et R2 en série avec l’induit. Une temporisation court-circuite les résistances R1 et R2 au fur et a mesure du démarrage.

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b) Moteur à excitation série Conditions de démarrage – Le courant de démarrage doit être limité comme dans l’excitation séparée. – On ne doit jamais démarrer à vide sous tension nominale car sinon, le moteur s’emballe et l’induit peut être détruit. Freinage Il se fait comme dans le cas précédent en utilisant la réversibilité de la machine.

- Schéma de puissance Le courant est inversé uniquement dans l’inducteur série. Le verrouillage entre KM1 et KM2 doit être électrique et mécanique. Si les deux contacteurs se ferment en même temps l’inducteur est court-circuité et le moteur s’emballe.

- Schéma de commande Exemple cycle monté descente avec deux fins de courses FCh et FCb

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2.1.10. Réglage de la vitesse Le moteur à courant continu offre de grandes possibilités pour obtenir des vitesses de rotation variables. En sachant que

, si on néglige RI, R très faible on a sensiblement:

On peut modifier n en agissant sur la tension U et sur le flux

(action sur le courant inducteur).

A) Action sur la tension d’alimentation La vitesse est directement proportionnelle à la tension d’alimentation de l’induit. Le couple est proportionnel au courant d’excitation or comme il est constant, le couple est constant. Le fonctionnement est alors dit à couple constant pour une vitesse entre 0 et nominal.

B) Action sur le flux Pour dépasser la vitesse nominale on ne peut plus agir sur la tension d’alimentation (U=Un), on peut diminuer le flux. Si Φ diminue, augmente. Le couple du moteur (T= KFI), est proportionnel au flux donc si Φ diminue et si I est constant le couple moteur diminue. Le fonctionnement est dit à puissance constante

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Moteur à excitation séparée – L’action sur l’excitation, avec un rhéostat de champ ou une tension Ue réglable, n’offre qu’une variation limitée, et n’est pas possible si l’inducteur est à aimants permanents. – L’action sur la tension d’induit résout le problème du démarrage. En conclusion, la souplesse de ces deux réglages indépendants confère à ce moteur une grande précision. • Risque d’emballement. Si l’excitation s’annule alors que l’induit est encore alimenté, le moteur s’emballe et peut détruire l’induit. En conséquence : – Il ne faut jamais couper le circuit d’excitation. – Pour arrêter le moteur, il faut couper l’induit avant l’inducteur. Moteur à excitation série Il se fait par action sur la tension d’alimentation, comme pour le moteur à excitation séparée. En conclusion, ce moteur possède un fort couple au démarrage, supérieur au moteur précédent, mais s’emballe à vide. Il est utilisé pour des couples élevés à basse vitesse : traction ferroviaire (TGV), démarreur de voitures, etc. Les dispositifs électroniques utilisés pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu

Redresseur contrôlé à tension variable

Fournit à partir d’un réseau alternatif monophasé ou triphasé, une tension redressée de valeur moyenne variable

Hacheur

Fournit à partir d’une source de tension continue fixe, une source de tension « continue » dont on contrôle la valeur moyenne.

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2.2 Machines électriques alimentées à courant alternatif : Se sont des machines qui se constituent d'un rotor et d'un stator. Le stator est alimenté par un courant alternatif, qui produit un champ magnétique statorique tournant qui est à la base de leur principe de fonctionnement. Il existe deux types de machine à courant alternatives : Les machines synchrones et les machine asynchrones. 2.2.1 Les différents types des machines synchrones :

a. LES MACHINES SYNCHRONES : Le terme synchrone signifie que la vitesse de rotation du rotor est égale à la vitesse du champ tournant statorique. Constitution et principe de fonctionnement : Deux parties séparées par un entrefer.  Rotor : ou roue polaire : C’est la partie tournante. Parfois c’est un aimant permanent pour les petites machines, mais en général c’est un électroaimant sous forme d’un cylindre ferromagnétique massif recevant un bobinage qui, alimenté en courant continu (excitation), génère p paires de pôles sud et nord alternés. Il existe des rotors à pôles saillants avec un nombre de paires de pôles p élevé, ou à pôles lisses (Fig.2.11).

Fig. 2.11 Machine à pôles lisses et Machine à pôles saillants

 Stator : C’est la partie fixe, sous forme d’une carcasse ferromagnétique feuilletée comportant un bobinage triphasé qui, parcouru par des courants triphasés équilibrés génère un champ tournant à répartition quasi-sinusoïdale de même nombre de pôles qu’au rotor. Les enroulements peuvent être couplés en étoile (cas le plus fréquent) ou en triangle. Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor. Le rotor ne peut donc tourner qu’à la vitesse de synchronisme S. Remarque : Généralement, l’inducteur est au rotor et l’induit au stator. Principe . Si on entraîne le rotor à la vitesse constante les enroulements statoriques, soumis au champ tournant rotorique, créent par induction un système triphasé de pulsation ou f = pn ( et en rad/s, f la fréquence en Hz et n la vitesse en tr/s), p étant le nombre de paires de pôles du rotor. C’est le fonctionnement en alternateur, utilisé dans la production d’énergie électrique. • Réversibilité. Fonctionnement en moteur. Si on alimente le stator en triphasé et si on lance le rotor, celui-ci poursuit sa rotation à la vitesse de synchronisme du champ tournant (ce champ résulte des champs tournants rotorique et statorique). • Excitation de la machine – Ce peut être une source extérieure qui alimente le rotor en courant continu via un système de bagues et de balais. – Ce peut être la machine elle-même qui fournit sa propre excitation via une génératrice excitatrice ou un alternateur auxiliaire relié sur l’arbre. La machine est alors auto-excitée.

FIG 2.12 Symboles et conventions Page 22

2.3 ALTERNATEUR TRIPHASÉ 2.3.1 Symbole normalisé

2.3.2 Organisation simplifiée de l’alternateur L’alternateur comprend deux parties principales : l’inducteur et l’induit  L’inducteur 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 a pôles saillants

Rotor a pôles lisses p = 1 Rotor a pôles saillants p = 2 Très robuste, il permet d’obtenir des fréquences Tournant moins vite, et de ce fait de rotation élevées (> 3000 tr/min). Il est utilisé fournissant moins de puissance, il est dans les centrales thermiques et les centrales utilisé dans les centrales hydrauliques nucléaires. et les groupes électrogènes  L’induit, 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.

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2.3.3. 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 Chaque enroulement génère une f.é.m. induite E = K.p.n.N.Φmax = K.f.N.Φmax avec

, dont la valeur efficace s’exprime :

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

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 Couplage en étoile

U = E.√ = 400 V Couplage en triangle

U = E = 230 V

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2.3.4. 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.  ’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 2.3.5 Caractéristique à vide ou interne : (Fig. 2.13). Le point de fonctionnement P se situe dans le coude de saturation. Du fait de l’hystérésis, la courbe ne passe pas par l’origine. Il existe une fém rémanente EREff (ainsi qu’un étroit cycle d’hystérésis, non représenté sur la figure).

Fig. 2.13 Caractéristique à vide 2.3.6 Alternateur autonome en charge • Autonomie. Un alternateur est autonome s’il alimente seul une charge. C’est par exemple le cas d’un groupe électrogène. En revanche, il ne l’est plus s’il est couplé sur le réseau. • Réaction magnétique d’induit. Lorsque l’alternateur débite, l’induit crée un champ tournant qui modifie le flux utile, donc la fém. C’est la réaction magnétique d’induit. La fém en charge est ainsi différente de la fém à vide, créée par la roue polaire seule. • Caractéristique en charge ou externe. L’alternateur n’étant pas une source parfaite, la réaction magnétique d’induit modifie la fém suivant la charge (Fig. 40.6). Ie devra être modifié pour stabiliser la tension.

Fig. 2.14 Caractéristique en charge Page 25

2.3.7 Arbres des puissances Puissance reçue. L'alternateur reçoit une puissance mécanique Pm qui lui est fournie par le moteur d'entraînement = Ω Si l’alternateur n’est pas auto-excité, Puissance restituée : Il restitue une partie de cette puissance sous la forme de puissance électrique P qui est reçue par la charge : √ Pje

Pa Puissance Mécanique

Rotor Inducteur

Pm

Pjs

Entrefer Puissance électromagnétique

Pfs

Stator Induit

Puissance électrique utile

Fig. 2.15 Arbre des puissances Puissance Mécanique Absorbée

Puissance électromagnétique

Ω 1 cas

La puissance électrique utile √

2 cas

U : tension d’induit et Ue : tension de l’inducteur (V) ; I : courant d’induit et Ie : courant de l’inducteur (A) ; R : résistance de l’induit et r : résistance de l’inducteur (Ω) ; TU : couple utile sur l’arbre (Nm) ; : vitesse de rotation (rad/s). Remarques Pertes ne dépendant pas de la charge appelées pertes « constantes » : Les pertes mécaniques dépendent de la fréquence de rotation; les pertes dans le fer dépendent de la fréquence et du flux dans la machine. À tension et fréquence constantes, Pfs et pm sont constantes. Pertes par effet Joule : Dans l'inducteur : la puissance perdue par effet Joule est égale à Dans l'induit : la puissance pjs perdue par effet Joule est égale à : Avec R la résistante entre deux phases, est indépendante du couplage des enroulements du stator. – À vide, avec Ie nominal, on mesure PA0 ≈ Pm +Pfs – À vide, avec Ie = 0, on mesure P A0≈ Pm. On en déduit Pfs = PA0 − PA – Les résistances peuvent être déterminées par un essai en continu. Page 26

Expression du rendement : Si l'alternateur est auto-excité, c'est-à-dire s'il ne reçoit de puissance que du moteur qui l'entraîne, le rendement est alors égal à : √ Si l'alternateur n'est pas auto-excité, il faut ajouter à la puissance mécanique reçue, la puissance pje qui a été fournie au circuit d'excitation. Dans le cas général, nous pouvons aussi exprimer le rendement en fonction des différentes pertes de puissance : √ √

Plaque signalétique (Fig. 40.4) – La tension la plus faible est la tension nominale d’un enroulement du stator. – Le courant le plus faible est le courant nominal en ligne dans le cas d’un couplage en étoile. Une plaque à bornes permet de réaliser le couplage. – Sont aussi indiqués, pour le fonctionnement nominal, la puissance apparente, la fréquence d’utilisation, les grandeurs nominales (tension et courant) de l’excitation et parfois un facteur de puissance.

Fig. 40.4 Plaque signalétique

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b. LE MOTEUR ASYNCHRONE : Fonction Le moteur électrique asynchrone a pour rôle de transformer l’énergie électrique apportée par le courant alternatif en énergie mécanique de rotation. Constitution: Le moteur asynchrone triphasé, qui est le récepteur de puissance des installations industrielles, est formé d’un :  Stator : le stator constitue la partie fixe du moteur. Il comporte trois enroulements qui peuvent être couplés en étoile Y ou en triangle. les trois enroulements alimentés par des tensions 

triphasées de fréquence, f, qui produisent ainsi un champ magnétique tournant B à la fréquence de rotation, ns, appelée fréquence de synchronisme : 

ns La fréquence de rotation du champ B en tours par seconde [tr.sf La fréquence des tensions d’alimentation en Hertz [Hz] p Le nombre de paires de pôles du rotor Une autre relation se déduit de la précédente : f p

 =2 ns=2 La vitesse angulaire du champ B , en radians par seconde [rad.s Rotor : la partie tournante du moteur. Cylindrique, il porte soit un bobinage (d’ordinaire triphasé comme le stator) soit accessible par trois bagues et trois balais, soit une cage d’écureuil non accessible, à base de barres conductrices en aluminium. Dans les deux cas, le circuit rotorique est mis en court-circuit en étoile ou en triangle (par des anneaux ou un rhéostat).

Représentation des trois phases statoriques du moteur à courant alternatifs

Machine asynchrone avec rotor à cage d'écureuil

Rotor à cage d'écureuil pour machine asynchrone

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Principe de fonctionnement Le stator crée un champ tournant au synchronisme (en rad/s) qui induit au rotor un système triphasé de courants, créant à leur tour un champ tournant à . Le champ tournant résultant (du stator et du rotor) et les courants triphasés génèrent un couple électromagnétique qui entraîne le rotor à une vitesse (loi de Lenz). On change le sens de rotation en permutant deux phases. Symboles et conventions

Rotor bobiné

Rotor à cage

Symboles et conventions

Le glissement Le rotor tourne à la fréquence de rotation n, il tourne moins vite que le champ tournant qui lui tourne à la fréquence de rotation ns. La différence entre ces deux fréquences de rotation est donnée par la relation :

La fréquence de rotation du glissement en tours par seconde [tr/.s] On appelle glissement d'un moteur asynchrone le rapport de la fréquence de glissement à la fréquence de synchronisme :

g

Le glissement du moteur asynchrone en pourcentage [sans unités]

: vitesse de synchronisme en rad/s et tr/s ou tr/min ; (moteur à l’arrêt) et g ≈ 0 (à vide).

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: vitesse de rotation du rotor ; 0 < g ≤ 1 : g = 1

La plaque signalétique La plaque signalétique d’un moteur asynchrone est la carte d’identité du moteur délivrée et certifiée par le constructeur. Elle contient donc les caractéristiques nominales électriques du moteur.

– Le couplage Les enroulements statoriques sont libres de couplage (Figure 14). Chacune est accessible par ses deux bornes de connexion.

Figure 14 : Plaque à bornes statorique. La disposition physique en deux rangées de trois bornes permet d’effectuer de manière aisée le couplage des enroulements : interconnexion de X, Y et Z et alimentation par U, V et W en étoile (Figure 15) ou interconnexion et alimentation par les liaisons U-Z, V-X et W-Y pour le couplagetriangle (Figure 16). C’est aussi ce repérage qui est noté sur le symbole de la machine (Figure 17).

Figure 15 : Couplage étoile

Figure 16 : Couplage triangle.

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Figure 17 : Symbole.

Schéma équivalent simplifié La machine asynchrone est finalement constituée de deux ensembles de bobinages triphasés enroulés sur le même circuit magnétique. Par analogie, on peut alors considérer qu’elle est équivalente, à l’arrêt, à un transformateur triphasé. On représente sur la figure 6.1 le schéma de principe correspondant ainsi que le schéma monophasé équivalent obtenu à partir de l’analogie avec un transformateur.

Figure 6.1 Schéma de principe de la machine asynchrone et schéma monophasé équivalent. On note sur ce schéma les éléments d’imperfection classiques : résistances séries des bobinages primaires et secondaires, idem pour les inductances de fuites. Par contre, on représente le transformateur équivalent comme une simple inductance mutuelle entre le primaire et le secondaire. Il faut bien noter que, lorsque la machine tourne, les fréquences des courants et des tensions au primaire (c’est-à-dire au stator) et au secondaire du transformateur équivalent ne sont pas les mêmes. En pratique, pour construire un schéma équivalent final simplifié, on divise l’équation de maille secondaire par la grandeur g, ce qui fait apparaître une inductance de fuite équivalente à la fréquence f. Les fréquences du primaire et du secondaire étant alors identiques grâce à cette manipulation, on ramène les éléments d’imperfection au primaire du transformateur. On retiendra donc le schéma monophasé équivalent simplifié représenté sur la figure 6.2 (les étapes intermédiaires n’ayant pas été développées ici).

R1 : résistance du stator ; L1 et RF : bobine à noyau de fer ; : inductance de fuite ; R2/g : résistance fictive représentant la puissance transmise, R2 étant la résistance du rotor ramenée au stator.

Figure 6.2 Schéma équivalent monophasé simplifié de la machine asynchrone. Remarques : – On ramène les éléments du rotor au stator en les divisant par m², m étant le rapport de transformation par phase, rotor ouvert. – Comme PTr = PM + pJr, on fait parfois apparaître la résistance du rotor ramenée au stator en décomposant la résistance fictive :

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Cela permet de dissocier les pertes joules (dissipées dans R2) de la puissance mécanique (dissipée dans (1 − g)R2/g). BILAN DES PUISSANCES – RENDEMENT Le bilan, peut être résumé à l’aide schéma suivant :

Pjr = Ptr - Pméca = Cem.( s -

r) = Cem. s.( s -

r)/ s = g.Ptr = Pjr

Avec :   

Pu, Cu : puissance utile, couple utile Pem, Cem : puissance électromagnétique, couple électromagnétique Pjr : pertes joules rotoriques

Ce résultat indique que le moteur asynchrone transmet intégralement le couple électromagnétique sur son arbre • Moment du couple électromagnétique. D’après le modèle de la Fig. 41.6 et en négligeant la chute de tension aux bornes de R1, on montre que :

La pulsation des courants rotoriques est :

Cem est maximal lorsque sa dérivée par rapport à g s'annule, c'est à dire (après calcul) pour :

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L’allure de TEm en fonction de g ou de n, à tension et fréquence constantes, est représentée Fig. 41.7. – Le moment du couple électromagnétique n’étant pas nul au démarrage, le moteur peut démarrer seul. – A glissement fixé, TEm = KV²Eff – Dans la zone de fonctionnement, TEm ≈ kg soit TEm ≈ −an + b. La variation est sensiblement linéaire. – Le maximum est indépendant de R2 et a lieu pour gM = R2/ ( ). Ce résultat montre qu'il est possible d'obtenir le couple maximal, pour différentes vitesses de rotation, à condition que le rapport tension d'alimentation / fréquence de la tension soit constant ( U / f constant). • Caractéristiques TU(n) et I(n) (Fig. 41.8) – Le courant au démarrage est élevé. – Le courant à vide n’est pas négligeable.

Fig. 41.8 Caractéristiques de couple et d’intensité Démarrage d'un moteur asynchrone Lors de la mise sous tension d'un moteur asynchrone, celui-ci provoque un fort appel de courant qui peut provoquer des chutes de tension importantes dans une installation électrique. Pour ces raisons en autres, il faut parfois effectuer un démarrage différent du démarrage direct. Il est donc logique de limiter le courant pendant le démarrage à une valeur acceptable. Mais si l'on limite le courant, on limite du fait la tension (dans certain cas seulement). Le démarrage direct

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C'est le mode de démarrage le plus simple. Le moteur démarre sur ses caractéristiques "naturelles". Au démarrage, le moteur se compose comme un transformateur dont le secondaire (rotor) est presque en court-circuit, d'où la pointe de courant au démarrage. Ce type de démarrage est réservé aux moteurs de faible puissance devant celle du réseau, ne nécessitant pas une mise en vitesse progressive. Le couple est énergique, l'appel de courant est important ( 5 à 8 fois le courant nominal ).

Malgré les avantages qu'il présente (simplicité de l'appareillage, démarrage rapide, coût faible), le démarrage direct convient dans les cas ou :  

La puissance du moteur est faible par rapport à la puissance du réseau (dimension du câble) La machine à entraîner ne nécessité pas de mise en rotation progressive et peut accepter une mise en rotation rapide  Le couple de démarrage doit être élevé Ce démarrage ne convient pas si   

Le réseau ne peut accepter de chute de tension La machine entraînée ne peut accepter les à-coups mécaniques brutaux Le confort et la sécurité des usagers sont mis en cause (escalier mécanique)

4-Démarrage étoile triangle Ce type de démarrage est réservé aux machines démarrant à vide ou dont le couple résistant est faible. L'intensité de démarrage est divisée par 3, mais le couple de démarrage aussi (proportionnel au carré de la tension d'alimentation des enroulements).

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0 0 Ordre de marche KM2 KM1 1 0 Temporisation KM1 2 0 Ouverture de KM2 3 0

KM1

KM3

Ordre d’arrêt

Lors du couplage étoile, chaque enroulement est alimenté sous une tension 3 fois plus faible, de ce fait, le courant et le couple sont divisés par 3. Lorsque les caractéristiques courant ou couple sont admissibles, on passe au couplage triangle. Le passage du couplage étoile au couplage triangle n'étant pas instantané, le courant est coupé pendant 30 à 50 ms environ. Cette coupure du courant provoque une démagnétisation du circuit magnétique. Lors de la fermeture du contacteur triangle, une pointe de courant réapparaît brève mais importante (magnétisation du moteur). Démarrage statorique Ce type de démarrage a des caractéristiques comparables au démarrage étoile - triangle. Il n'y a pas de coupure de l'alimentation du moteur entre les deux temps de démarrage.

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0 0 Ordre de marche KM1 1 0 Temporisation KM1 KM2 2 0 Ouverture d’arrêt

6-Tension réduite par auto-transformateur Dans le démarrage par autotransformateur, on effectue le même type que le démarrage étoile triangle (on a en plus le choix du rapport des tensions en choisissant le rapport de transformation) mais les phénomènes transitoires du démarrage étoile triangle (pointe de courant au passage triangle, ne vont plus exister car le courant n'est jamais coupé). Dans un premier temps, on démarre le moteur sur un autotransformateur couplé en étoile. De ce fait, le moteur est alimenté sous une tension réduite réglable. Avant de passer en pleine tension, on ouvre le couplage étoile de l'autotransformateur, ce qui met en place des inductances sur chaque ligne limitant un peu la pointe et presque aussitôt, on court-circuite ces inductances pour coupler le moteur directement au réseau. 0 0 Ordre de marche KM1 KM3 1 0 Temporisation 1

Id = 1,7 à 4 In Cd = 0,5 à 0,85 Cn

KM1 2 0 Temporisation 2 3 0

KM1

KM2

Ordre d’arrêt

Ce mode de démarrage est surtout utilisé pour les fortes puissances (> 100 kW) et conduit à coût de l’installation relativement élevé, surtout pour la conception de l'autotransformateur. Démarrage rotorique Dans tous les démarreurs précédents, nous n'avons utilisé que des moteurs à cage d'écureuil. Pour ce démarreur, nous avons besoin d'avoir accès au conducteur rotorique. Le fait de rajouter des résistances

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au rotor provoque une limitation de la pointe de courant au démarrage. En plus, il a l'avantage, si les résistances sont bien choisit, de démarrer avec le couple maximal du moteur.

avec : Le couple ne dépend que du rapport R2/g.

Cmax et Cmin sont fixés par le cahier des charges, g2 et g3 sont déterminés sur la caractéristique " naturelle " du moteur. Connaissant la valeur de la résistance du bobinage rotorique r, on détermine les valeurs des résistances de démarrage R et R'.

8-Les démarreurs électroniques Ils permettent un démarrage progressif des moteurs, ils remplacent les démarreurs à technologie électromagnétique cité dans les précédents paragraphes.  constitution : Les démarreurs sont constitués d’un gradateur A triphasée à angle de phase

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 Principe de fonctionnement : U rampe - La tension du réseau d’alimentation est appliquée progressivement au stator du moteur. U rampe - La variation de la tension statorique est obtenue par la variation continue de l’angle  de retard à max l’amorçage des thyristors du gradateur. 0 - La consigne de démarrage permet de régler la pente  d’un signal en forme de « rampe ». Cette consigne est étalonnée en secondes. - A la fin du démarrage, le stator du moteur est sous 180° tension nominale, les thyristors sont alors en pleine conduction. - Le phénomène inverse se produit lors d’un arrêt 0 progressif contrôlé. La consigne de décélération permet de faire évoluer l’angle  des thyristors de 0° à U stator 180° donc Umoteur de Un à 0 - Pour une charge donnée, le réglage de la pente permet de faire varier la durée de démarrage, donc le Un temps de mise en vitesse progressive de l’association moteur+charge 0

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t td

t

t

Tableau récapitulatif Démarrage direct Courant de démarrage

Démarrage étoile triangle

Démarrage statorique

Démarrage par auto transformateur

Démarrage rotorique

Démarreur électronique

100%

33%

50%

40/65/80%

70%

Surcharge en ligne

4 à 8 In

1.3 à 1.6 In

4.5 In

1.7 à 4 In