Poly Adc Cours 2ste p 1617

Lycée technique Mohammedia

Sciences de l’ingénieur

Module A.D.C. Cours : Prof Année scolaire : 2016-2017

Nom :

……………………………………..

Classe : 2 STE ….

Prof : S.CHARI

chari.123.ma

FONCTION ALIMENTER : SYSTEME MONOPHASE Grandeurs variables périodiques Définition Une grandeur analogique (tension ou intensité) périodique est constituée par :

une suite de motifs identiques. Période La période T est la durée correspondant à ce motif ; elle s’exprime en seconde (s).

Fréquence La fréquence du signal est le nombre de périodes par secondes. Elle s’exprime en fonction de la période par la relation suivante : f = 1/T s’exprime en en Hertz (Hz).

Valeur instantanée La valeur instantanée d’une grandeur variable est la valeur qu’elle prend à tout instant ; on la note par une minuscule : u(t) ou u.

Valeur moyenne La valeur moyenne d’un signal périodique i(t) est la moyenne des valeurs instantanées mesurées sur une période complète. Si T désigne la période du signal i(t) alors la valeur moyenne est donnée par : = A/T A : représente l'aire entre la courbe et l'axe du temps. (A correspond à la quantité d'électricité).

Mesure Pour mesurer la valeur moyenne d’une tension ou de l’intensité d’un courant on utilise des appareils à aiguille magnétoélectriques en position DC, ou des appareils numériques en position DC.

Signal alternatif Un signal est dit alternatif si sa valeur moyenne est nulle.

Valeur efficace La valeur efficace , notée I, spécifie l’aptitude du signal alternatif à fournir de la puissance à une charge résistive. Si T désigne la période du signal i(t) alors la valeur efficace est donnée par : I = √

Mesure Pour mesurer la valeur efficace d’une tension ou de l’intensité d’un courant on utilise des appareils à aiguille ferromagnétiques, ou des appareils numériques RMS (ou TRMS) en position AC.

Grandeurs alternatives sinusoïdales Définitions Une grandeur alternative sinusoïdale est une grandeur périodique dont la valeur instantanée est une fonction sinusoïdale du temps. L’expression temporelle de la tension est : u(t) = Umax sin (ωt + φu) ou u(t) = U√2 sin (ωt + φu).

SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

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Avec :

• • • • • •

u est la valeur instantanée de la tension. Umax est la valeur maximale ou amplitude de u. U est la valeur efficace de u. ω est la pulsation ou vitesse angulaire en rad/s ωt+φu est la phase à l'instant t exprimée en radian. φu est la phase à l'origine (t=0).

Amplitude • •

Par définition, le sinus varie entre –1 et 1 ; donc u varie entre - Umax et + Umax. L’amplitude d’une grandeur sinusoïdale est sa valeur maximale.

Pulsation • •

ω en radian par seconde : rad/s (car θ = ωt est en radian) on montre que ωT=2 π où T est la période du signal (en s) or T=1/f donc ω =2π/T = 2πf et f fréquence du signal (en Hz).

Phase à l’origine • •

A chaque instant t correspond un angle (car ωt en rad), on l’appelle phase θ. φu est la phase de u(t) quand t= 0

Valeur moyenne • la valeur moyenne d’une grandeur sinusoïdale est nulle puisqu’elle est alternative.

Valeur efficace • On démontre que la valeur efficace U peut s’exprimer en fonction de l’amplitude Umax : U= Umax/√2

Représentation de Fresnel u(t)= U√2 sin (ωt + φ) • on associe donc à cette tension un vecteur tournant à ω et on le représente à l’instant t= 0. • on a : norme du vecteur ↔ valeur efficace angle entre vecteur et l’axe OX ↔ phase à l’origine φ

Exemple : Représenter par leur vecteur de Fresnel ces deux tensions : u1(t)= 2√2 sin (ωt + π/4) u2(t)= 3√2 sin (ωt - π/6)

Représentation par un nombre complexe Le vecteur de Fresnel est un outil intéressant mais il conduit à des diagrammes vectoriels et donc à une résolution graphique (des problèmes). On utilise donc un autre outil pour étudier un circuit en régime sinusoïdal • A une grandeur sinusoïdale u(t), on associe une grandeur complexe U. • On a : module U de U ↔ valeur efficace U de u(t) argument φ de U ↔ phase à l’origine φ de u(t) u = U√2 sin (ωt + φ) SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

↔

U = (U ; φ) = U.cos φ + jU.sin φ Page 2/72

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Rappels sur les complexes U = (U ; φu) = U.cos φu + j.U.sin φu = a + j.b U = (U; φu) ⇒ forme Polaire U = a + j.b ⇒ forme Rectangulaire

Remarque : le passage d’une forme à l’autre (rectangulaire polaire) se fait rapidement avec les calculatrices scientifiques.

Opérations sur les nombres complexes : •

Addition Z = Z1+ Z2 = (x1 + x2) + j (y1 + y2).

•

Multiplication Z= Z1. Z2 = [Z1.Z2 ; φ 1+ φ 2]

•

Division Z = Z1/Z2= [Z1/Z2; φ 1- φ 2].

•

Dérivée de Z : (Z)’ = jω.Z

φ 1 et φ 2 arguments de Z1 et Z2.

Déphasage

On peut les représenter par leurs vecteurs de Fresnel

Lorsqu’on observe à l’oscilloscope deux tensions sur un même circuit, on constate qu’elles sont décalées : on dit qu’il existe une différence de phase ou déphasage. 2 tensions de même fréquence u1 = U1√2 sin (ωt + φ1) u2 = U2√2 sin (ωt + φ2)

φ = φ 1- φ 2 déphasage de u2 par rapport à u1

Avance ou retard : On a un courant et une tension de pulsation ω : • u(t)= U√2 sin (ωt + φu) • i(t)= I √2 sin (ωt + φi) donc, le déphasage de u par rapport à i est l’angle (I, U) : φ = φu - φi si φu > φi alors φ > 0 et u est en avance sur i ou i est en retard sur u

si φu < φi alors φ < 0 et u est en retard sur i ou i est en avance sur u

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Cas particuliers : • φu/i = φu - φi = 0 • φu/i = φu - φi = π • φu/i = φu - φi = π/2 • φu/i = φu - φi = -π/2

u u i i

et i sont en phase. et i sont en opposition de phase. est en quadrature arrière par rapport à u. est en quadrature avant par rapport à u.

Dipôles élémentaires passifs linéaires Un dipôle élémentaire peut être une résistance, une bobine parfaite ou un condensateur. Résistance R

Inductance L

Capacité C

Schéma

di dt

Equation fondamentale

uR = Ri

uL = L

Impédance Z (Ω)

ZR = R

ZL = Lω

Relation entre les valeurs efficaces

UR = R.I

UL = L ω .I

Déphasage φ (rad)

ϕR = 0

ϕL =

ZR =R

ZL = jLω

duC dt 1 ZC = Cω 1 UC = .I Cω i=C

π

ϕC = −

2

π

2

Représentation de Fresnel Impédance complexe Z

ZC = 1/ jCω = - j /Cω

Modèle équivalent d’un dipôle passif linéaire. Modèle série : Construction de Fresnel :

Groupement série R, L : (bobine réelle) L

R

I

Z

I ≡

UR

U

UL

U U= Z.I

UL=Lω.I

φ UR= R.I

UL

U φ

I

UR Z

Z = √(R2+(Lω)2 φ = tan-1(Lω/R)

Lω

φ

ϕ = déphasage de i sur u

R

Groupement série

R, L

Impédance du groupement

Z = √(R +(Lω)

Déphasage φ de i sur u

φ = tan-1(Lω/R)

φ = tan-1(-1/RCω)

φ = tan-1((Lω - 1/Cω)/R)

Impédance complexe

ZRL = R+jLω

ZRC = R-j/Cω

ZRLC = R + j(Lω - 1/Cω)

2

R, C 2

Z = √(R + (1/Cω) 2

R, L, C 2

Z = √(R +(Lω -1/Cω)2 2

Remarque sur le circuit RLC série: X = (Lω- 1/Cω) si : • X > 0 • X 0 le dipôle est inductif et i est en retard par rapport à u ϕ < 0 le dipôle est capacitif et i est en avance par rapport à u ϕ = 0 le dipôle est résistif et i est en phase avec u Page 4/72

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Modèle parallèle :

Admittance : Y=1/Z IL

I IR

U

L

R

≡

⇒ I = Y.U

Construction de Fresnel :

I

U

IR

Z

U

φ IL

IR= U/R

I

1/R φ

φ IL = U/Lω

I= U/Z

Les Dipôles élémentaires

1/Z

φ = tan-1(R/Lω)

La Résistance R YR= 1/R YR= 1/R

Admittance (siemens) Admittance complexe

1/Z = √(1/R)2+(1/Lω)2

1/Lω

L’inductance L YL = 1/Lω YL = 1/jLω = -j/Lω

Le condensateur C Yc = Cω Yc = 1/-j/Cω = jCω

Groupement parallèle

R, L

R, C

R, L, C

Impédance du groupement

Z = 1/√ YR2+YL2

Z = 1/√ YR2+YC2

Z = 1/√(YR2+(YL -YC)2

Déphasage φ de i sur u

φ = tan-1(R/Lω)

φ = tan-1(- RCω)

φ = tan-1(R(1/Lω -Cω))

Groupement parallèle : Y=∑ Yi

cas de 2 dipôles Y= Y1 + Y2 ou Z=Z1.Z2 / (Z1 + Z2)

Puissances en alternatif. Théorème de Boucherot. Facteur de puissance. Puissances La puissance électrique instantanée est le produit de la tension par le courant. u (t) = U 2 sin ωt et i(t) = I 2 sin (ωt - φ). p (t) = U 2 sin ωt. I 2 sin (ωt - φ) = 2UIsin ωt. sin (ωt - φ) = U.I.cosφ - U.I.cos (2ωt+φ) On constate que la puissance instantanée est la somme : • d’un terme constant "U.I.cosφ " • et d’un terme variant périodiquement "U.I.cos (2ωt+φ) ".

Puissance active La puissance active est la moyenne de la puissance instantanée. La valeur moyenne du terme périodique est nulle (c’est une fonction périodique alternative). Il reste donc le terme constant. P = U.I.cos φ unité : le watt (W). Puissance réactive Q = U.I.sin φ

unité : le voltampère réactif (VAR).

Puissance apparente La puissance apparente ne tient pas compte du déphasage entre u(t) et i(t). S = U.I unité : le voltampère (VA).

Triangle des puissances P tg φ = Q/P

φ Q SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

S

S = √(P2+ Q2)

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Puissances consommées par les dipôles passifs élémentaires Résistance R P =UI = RI2= U2/R

Puissance active (W) P = U.I.cos φ Puissance réactive (VAR) Q = U.I.sin φ Puissance apparente (VA) S = U.I

Inductance L

Capacité C

P=0

P=0

Q =UI = LωI2= U2/Lω

Q = - UI=- CωU2 =-I2/Cω

L absorbe la puissance réactive

C fournit la puissance réactive

S=Q

S=-Q

R absorbe la puissance active

Q=0 S=P

Théorème de Boucherot : 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.

Pt =∑ Pi

et Qt =∑ Qi

(On présente les résultats dans un tableau et on calcul It et cos ϕt:.) tg ϕt = Qt/Pt ⇒ cosϕt et It = Pt/U cos ϕt

ou

St = √ Qt2 + Pt2 ⇒ It = St/U et cos ϕt = Pt/St.

Relèvement du facteur de puissance. Pour diminuer le courant en ligne, on ajoute un condensateur en parallèle sur le récepteur. P φ' Q’

φ i

S'

i' Récepteur cos φ

ic u

Qc

C

P et Q cos φ’, P et Q’ S

Q

Puissance active

Puissance réactive

Récepteur seul

P

Q = P.tg φ

condensateur

0

QC = - C.ω.U2

L’ensemble

P

Q'= Q +QC = P.tg φ’ (1)

On en déduit la capacité du condensateur de la manière suivante :

(1)

QC = - C.ω.U2 = Q’- Q - C.ω.U2 = P.tg φ'- P.tg φ Finalement :

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C =

P (tg φ - tg φ’) U2.ω

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FONCTION ALIMENTER : SYSTEME TRIPHASE Introduction Les réseaux triphasés sont très répandus dans le monde industriel en raison de leurs nombreuses propriétés favorables à la production, au transport et à l'utilisation des grandeurs électriques.

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 2π/3. 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.

Les tensions délivrées Représentation temporelle de ces tensions Tension simple Tension composée

Les tensions simples

•

Ce sont les d.d.p entre les divers conducteurs de phase et de point neutre (réel ou fictif) : v1, v2, v3.

•

•

v1(t) = V√2 sin (ωt) v2(t) = V√2 sin (ωt-2π/3) v3(t) = V√2 sin (ωt- 4π/3)

Les tensions composées

• • •

u 12(t) = V√3√2 sin (ωt+ π/6) u 23(t) = V√3√2 sin (ωt- π/2) u 31(t) = V√3√2 sin (ωt- 7π/6)

Ce sont les d.d.p entre les conducteurs des phases consécutives : U12, U23, U31. Exemple : u12(t) = v1(t) - v2(t)

Ecriture en complexe : Les tensions simples

Les tensions composées

V1 = [V , 0°] V2 = [V , -120°] V3 = [V, -240°]

U 12 =V 1-V 2 = [V√3, + 30°] U 23 =V 2-V3 = [V√3, - 90°] U 31 =V 3-V 1 = [V√3, + 150°]

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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

U/2 120° 30°

-2π/3

V2

V

Triangle des tensions

U23

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 ci-dessus: 2.V.cos (π/6) = U c'est à dire U= √3.V Ainsi, un système triphasé à basse tension sur le réseau est intitulé : 230V/400V, 230V représentant la tension simple efficace et 400V la tension composée efficace.

Récepteurs triphasés équilibrés Définitions Récepteur triphasé : c’est un récepteur constitué de trois éléments d’impédance Z. Equilibré : si les trois éléments sont identiques. Courant par phase : c’est le courant qui traverse les éléments Z du récepteur triphasé. 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.

Couplage étoile : Montage :

Ou

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.

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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

Couplage triangle : Montage : Ou

Comme il s’agit des mêmes impédances, i1 + i2 + i3 = 0 et Ici en aucun cas le fil neutre n’est nécessaire.

j1 + j2 + j3 = 0

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 - J2

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

Récepteur 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 Z1

+

V2 Z2

+

V3 Z3

Cette somme n'est plus nécessairement nulle : Un courant circule dans le conducteur de neutre.

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 =√3J n’est plus valable car le système est déséquilibré. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

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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 = V1.I1.cos φ1 + V2.I2.cos φ2 + V3.I3.cos φ3

Et la puissance réactive s'écrit alors :

Q = V1.I1. sin φ1 + V2.I2. sin φ2 + V3.I3. sin φ3

Charge triphasée équilibrée Si la charge est équilibrée, les trois impédances sont identiques, donc : φ1 = φ2 = φ3 = φ

;

V1 = V2 = V3 = V

et

I1 = I2 = I3 = I.

La puissance active a pour expression : P = 3.V.I.cos φ La puissance réactive est : Q = 3.V.I.sin φ.

Relation entre les différentes puissances : Elle se déduit du triangle rectangle de puissance S

Q

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 quel que soit le type de montage. P = √3.U.I.cos φ Q = √3.U.I.sin φ S = √3.U.I

P

S = √(P2 +Q2) = 3.V.I

Mesure de puissance en triphasé Ligne à 4 fils : 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

Circuit déséquilibré. Il faut mesurer les puissances consommées par les trois phases et additionner. Trois wattmètres sont nécessaires. P = P1N + P2N + P3N

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Ligne à 3 fils : 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

Cas particulier : Le montage des deux wattmètres en régime équilibré : Les indications des wattmètres donnent : P13 = U13I1 cos (I1 , U13) = UI cos (φ-π/6) P23 = U23I2 cos (I2, U23) = UI cos (φ+π/6) Dans ce cas particulier on peut vérifier directement que : P13 + P23 = UI [cos (φ - π/6) + cos (φ + π/6)] = UI [ 2.cos φ.cos π/6] = √3 UI cosφ P13+ P23 = P P13- P23 = UI [cos (φ - π/6) - cos (φ + π/6)] = UI [2.sinφ.sin π/6] = UI sinφ P13- P23 = Q/√3

Donc Q = √3(P13-P23)

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 : •

Charge résistive :

•

Charge inductive :

•

Charge capacitive : - π/2 ≤ φ < 0

φ=0

cos φ = 1

P13 = P23

0 < φ ≤ π/2 → 0 ≤ cos φ P23

→

→ 0 ≤ cos φ P13

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 les pertes par effet joule, 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 φ).

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Calcul de la capacité des condensateurs de compensation Couplage des condensateurs en triangle 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 : QC = 3QC1 = -3CωU2

Détermination de la capacité : Puissance active

Puissance réactive

Facteur de puissance

Charge seule

P

Q = P.tg φ

On a cos φ

Batterie condensateurs

0

QC = -3CωU2

0

Charge + condensateurs

P

Q'= Q + QC = P.tg φ’ (1)

On veut cos φ’

On en déduit la capacité du condensateur de la manière suivante: La relation (1) donne : QC = -3C.ω.U2 = Q’- Q -3C.ω.U2 = P.tg φ' - P.tg φ 3C.ω.U2 = P(tg φ - tg φ’)

Finalement : CΔ =

P (tg φ-tg φ’) 3.ω.U2

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’) Cy =

3.ω.V2

=

P (tg φ - tg φ’)

SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

ω.U2

= 3.CΔ

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.

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FONCTION ALIMENTER : RESEAU NATIONAL Problématique La consommation de l’énergie électrique produite par les centrales est, en général, éloignée des lieux de production. L’énergie doit donc être transportée sur de grandes distances entre lieux de production et de consommation, c’est le rôle du réseau de transport de l’énergie électrique. Ce dernier est géré par l’Office National de l’Electricité (O.N.E).

Organisation du réseau de transport Le réseau de transport est illustré ci-dessous :

On distingue : • Le transport et l’interconnexion : c’est le raccordement des centrales entre elles. Si une

•

centrale vient à être en défaut, les autres continuent à fournir l’énergie. En l’absence d’interconnexion la défaillance d’une centrale, entrainerait la disparition d’énergie électrique pour tous ses « clients ». Le grand transport véhicule l’énergie entre les lieux de production et les grandes régions de consommation, La distribution et la répartition : elle a pour rôle « d’aiguiller » l’énergie des lieux de production vers les gros clients (grosses industries…) et les « petits » utilisateurs terminaux (particuliers, petites et moyennes entreprises, centres commerciaux…).

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

Tension alternative

Domaine

Tension alternative

Très Haute Tension (THT)

400 KV ou 225 KV

Haute Tension B (HTB)

> 50 000 V

Haute Tension (HT)

90 KV ou 63 KV

Haute Tension A (HTA)

1 KV 400V

0,3 0,2 0,07 0,04

Régime TN Les deux lettres qui définissent ce schéma TN signifient : T : Le neutre du transformateur relié à la terre N : Les masses métalliques reliées au neutre

Il existe deux types de schéma TN • •

Le TNC où le neutre et le conducteur de protection (PE) sont confondus. Ce schéma est interdit pour les faibles sections. Le TNS où le neutre et le conducteur de protection (PE) sont séparés. TNS

TNC

N PEN

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PE

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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. 230/400V

Schéma électrique du défaut

Danger potentiel et principe de protection : Un défaut d’isolement se traduit par un court-circuit (Risque d’incendie). Courant de défaut : Le courant de défaut n’est limité que par la résistance des conducteurs (phase et protection) : Id = 0,8V/(Rph+Rpe)

Sachant que : Rph = ρ.L/Sph et Rpe = ρ.L/Spe

Id = 0,8.V / L ρ(Sph+Spe) en posant m = Sph/Spe

Soit : Id = 0,8.V.Sph / ρ.L.(1+m)

Tension de contact : si Rph = Rpe donc Uc = 0,8.V/2 = 0,4.V = 0.4 x 230 = 92 V Cette tension est potentiellement dangereuse car elle est supérieure à la tension limite Ulimite = 50 V.

La coupure de l’installation est obligatoire dès l’apparition du premier défaut Protection : Contre les surintensités, les dispositifs doivent répondre dans un temps tc très court (temps de coupure normalisé). Tension nominale 230 V 400 V

Temps de coupure tc (s) UL= 50 V UL= 25V 0,4 0,2 0,2 0,06

Il faut s’assurer que : • pour un disjoncteur : Imag < 0,8.V.Sph / ρ.l.(1+m) avec m = Sph/Spe (Imag : courant de fonctionnement du déclencheur magnétique).

• pour un fusible : Ifusion < 0,8.V.Sph /ρ.l.(1+m)

(Ifusion : courant de fusion du fusible).

Il faut s’assurer que tf ≤ tc. • •

tf : temps de coupure du dispositif de protection tc : temps de coupure maximal autorisé par la norme

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Régime IT Les deux lettres qui définissent ce schéma IT signifient : I : Le neutre du transformateur est isolé. T : Les masses métalliques sont reliées à la terre.

Boucle de Défaut : Premier défaut 230/400V

Schéma électrique du défaut

Danger potentiel et principe de protection : Courant de défaut : Lors d’un défaut d’isolement, un courant de défaut circule par la terre Id = V/Ztotal = 230/(2000 +10 +10) = 0,11 A Tension de contact : La tension de contact apparaît entre les masses métalliques et le sol est: Uc = Ru x Id = 10 x 0,1 = 1V ⇒ Tension non dangereuse pour les personnes.

La coupure n’est pas automatique. Mais le défaut doit être recherché et éliminé. Protection :

L’appareil qui détecte ce premier défaut est le contrôleur permanent d’isolement (C.P.I.).

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.

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Boucle de Défaut : deuxième défaut 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. 230/400V

Schéma électrique du défaut

Danger potentiel et principe de protection Si un deuxième défaut apparaît avant l’élimination du premier défaut, un courant de court-circuit (risque d’incendie) s’établit entre phase ou entre phase et neutre. Courant de défaut : Le courant de défaut n’est limité que par la résistance des conducteurs (phases et protection) : Id = 0,8.U/(Rph3+Rpe3+Rpe1+Rph1) Si : Rph1 = Rph3 = Rph et Rpe1 = Rpe3 = Rpe

Id = 0,8.U/2(Rph+Rpe)

Id = 0,8.U /2.L.ρ(Sph+Spe) en posant m = Sph/Spe Soit : Id = 0,8.U.Sph /2ρ.L.(1+m) Tension de contact : Si Rph = Rpe donc Uc = 0,8.U/4 = 0,2.U = 0.2 x 400 = 80 V Cette tension est potentiellement dangereuse car elle est supérieure à la tension limite Ulimite = 50 V.

La coupure de l’installation est obligatoire dès l’apparition du deuxième défaut Protection : La coupure est assurée par les protections contre les surintensités. Il faut vérifier que les dispositifs de protection réagissent en un temps inférieur à celui imposé par la norme (temps de coupure maximal des protections) : Temps de coupure maximal tc des protections Tension Temps de coupure maximal en s nominale U0 UL= 50V UL= 25V 120 - 127 0,8 0,35 220 - 230 0,4 0,2 380 - 400 0,2 0,06 > 400 0,1 0,02 SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

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Protection électrique des matériels : Les différents défauts Lors d'un fonctionnement normal, le courant qui circule dans le circuit sera inférieur au courant nominal IN que peuvent supporter les composants. Un défaut suppose que le fonctionnement est anormal. On peut maintenant dire que, dans certains cas, un défaut se traduit par un courant ID supérieur au courant nominal IN (ID>IN).

Les surcharges : La surcharge se caractérise par un courant légèrement supérieur à l'intensité nominale (IN Icc) en kA. Eventuellement le système déclencheur.

Disjoncteurs Fonction : Organe de commande et de protection, les disjoncteurs sont pratiquement tous magnétothermiques, c’est-à-dire composé d’un déclencheur thermique (protection contre les surcharges) et d’un déclencheur magnétique (protection contre les courts-circuits). 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.

Symbole :

Courbe de déclenchement : La courbe de déclenchement résulte de l'association de la courbe de déclenchement du relais thermique et de la courbe de déclenchement du relais magnétique. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

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Zone de déclenchement thermique : Le principe est le même que pour le relais thermique. La courbe est inversement proportionnelle au temps.

Zone de déclenchement magnétique : Le déclenchement est instantané dès que l'on atteint le seuil de déclenchement. Le temps de déclenchement ne diminue pas avec l'augmentation du défaut.

Courant de réglage : Ir ou Irth c'est le courant maximal que peut supporter le disjoncteur sans déclenchement du dispositif thermique (de 0,7 à 1 In). Courant magnétique : Im C'est le courant de fonctionnement du déclencheur magnétique en cas de court-circuit (de 2,5 à 15 In). Les normes définissent 5 types de courbes de déclenchement :

Déclenchement

courbe B

courbe C

courbe D

courbe Z

courbe MA

3 à 5 In

5 à 10 In

10 à 14 In

2.4 à 3.6 In

12.5 In

protection des

protection des

circuits

départs

électroniques

moteurs

protection des générateurs, des câbles

Utilisation

de grande longueur et des personnes dans les

protection des applications

circuits à fort

courantes

appel de courant

régimes IT et TN

Critères de choix : Le choix d'un disjoncteur en basse tension s'effectue en fonction du circuit à protéger et en fonction des critères suivants : •

Le calibre In ou intensité assignée : Le choix du calibre se fait en relation avec l'intensité admissible dans la canalisation selon les règles de la norme C15-100.

•

La tension nominale d'emploi (Ue).

•

Le Pouvoir de coupure (PdC > Icc) en kA.

•

Le nombre de pôles protégés.

•

Choix du bloc déclencheur : Il dépend du circuit que l'on doit protéger.

➢ Choix de la courbe de déclenchement en fonction des récepteurs que l'on protège (pour les disjoncteurs divisionnaires). ➢ Détermination de Ir et Im pour des disjoncteurs autres que divisionnaires.

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Courbe de déclenchement d’un disjoncteur magnétothermique Temps de déclenchement d’un disjoncteur réglé pour un courant nominal In :

Pour une surcharge de 4 à 5 In, le relais déclenchera entre …. et ….. s. Pour une surcharge de 20 In, le relais déclenchera en ……. ms.

Partie thermique (Protection contre les surcharges)

Partie magnétique (Protection contre les courts circuits)

Relais thermique Fonction 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

Symbole

Caractéristiques électriques 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 courant important qui traverse un bilame échauffe celuici et vient alors agir sur un contact. Le relais protège les moteurs contre : • les surcharges (augmentation anormale du courant pendant un temps assez long), • les coupures de phase où les déséquilibres de celles-ci. SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C

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Choix d'un relais thermique: On choisit le relais thermique en fonction des caractéristiques suivantes : • Le courant de réglage (Ir) : sa valeur dépend de la valeur du courant d'emploi (Ie) qui doit être • •

comprise dans la plage de réglage du relais thermique. Ir est réglé soit sur Ie, soit sur 1,05 x Ie.

La tension nominale (Ue). Le fonctionnement différentiel: Pour protéger l'équipement contre la marche en monophasé, le relais thermique doit être différentiel.

•

La compensation en température : En cas d'utilisation dans un environnement froid ou chaud, il

•

faudra que le relais thermique soit compensé. La classe de fonctionnement : Selon les durées de démarrage des moteurs, nous disposons de trois classes de relais thermiques.

▪ ▪ ▪

Classe 10 : déclenchement normal (démarrage de 4 à 10s). Classe 20 : déclenchement faiblement temporisé (de 6 à 20s). Classe 30 : déclenchement fortement temporisé (jusqu'à 30s).

Courbe de déclenchement : Pour chaque classe de fonctionnement, le constructeur nous donne une courbe de déclenchement.

Courbe de déclenchement LR2-D Classe 20 A (Télémécanique)

Par exemple, si une surcharge de 3 x Ir apparaît sur la ligne d'alimentation d'un moteur, pour un fonctionnement équilibré à chaud, le relais thermique classe 20 A déclenchera au bout de : 15s. Nous pouvons observer, sur cette courbe, que l'intensité minimale de déclenchement est égale à 1,15.Ir. Cela veut dire que le relais thermique ne déclenchera pas lorsque I = Ir mais lorsque I = 1,15.Ir. 1.Fonctionnement équilibré 3 phases, sans passage préalable du courant (à froid). 2.Fonctionnement sur les 2 phases, sans passage préalable du courant (à froid). 3.Fonctionnement équilibré 3 phases après passage prolongé du courant de réglage (à chaud).

Dispositifs de protection moyenne tension Destinés à la protection des réseaux de distribution, et des postes de transformation.

Fusibles moyenne tension Caractéristiques : tension assignée : 3,6 - 7,2 - 12 - 17,5 - 24 – 36 KV ; 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.

• •

•

Fusibles MT Fusarc de chez Schneider Electric

Disjoncteur moyenne tension 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. Disjoncteur moyenne tension pour l’intérieur de chez Schneider Electric

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FONCTION DISTRIBUER : CONVERTISSEURS STATIQUES 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. Les différentes possibilités apparaissent comme ci-dessous :

Classification des convertisseurs statiques Type de convertisseur

Energie en entrée

Energie en sortie

Alternatif Alternatif Continu Continu Alternatif

Redresseur à diodes Redresseur à thyristors Hacheur Onduleur Gradateur

Réglage de la puissance

Continu Continu Continu Alternatif Alternatif

Non Oui Oui Oui Oui

Redresseurs Les redresseurs assurent la conversion d'une tension alternative en une tension continue. Ils servent à 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 i

Repère de la cathode

Aspect :

vAK Symbole :

Jonction :

A A Anode

i

vAK

K Diode bloquée

K

P N Cathode

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vAK < 0 ; i = 0 • •

Diode se comporte comme un interrupteur ouvert

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Diode passante

vAK = 0 ; • •

i>0

Diode se comporte comme un interrupteur fermé

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Redressement monophasé Redressement simple alternance (charge résistive) D

Schéma : v

v est la tension d’entrée du pont. u est la tension de sortie. R est la charge résistive.

i

iD VD

R

u

Analyse du fonctionnement :

Oscillogrammes :

La diode est parfaite. v (θ) = V√2 sin θ 0 0 vA > vB Le thyristor T1 est susceptible d’être amorcé. A θ = α : T 1 est amorcé, le courant i circule la maille : A T1 charge D2 B u = vM –vN = vA – vB = v i = u/R = v/R iT1 = iD2 = i vT1= vD2 = 0 vT2 = vD1 = - v A θ = π : Le courant i s’annule ce qui bloque le thyristor T1 π