L'électrotechnique Notion de base et réseau électrique.pdf

DEPARTEMENT E.E.A Electronique – Electrotechnique - Automatique www.creea.u-bordeaux.fr

L'Electrotechnique

Notions de base et réseau électrique Sources, tensions, courants et récepteurs électriques Puissances électriques Systèmes triphasés tri phasés Tran Transform formateurs Harmoniques Régimes transitoires Réseau électrique

L uc LASNE L ASNE,, univ université Bordeaux Bordeaux 1

[email protected]

08 / 10 / 2003

Sommaire : I) Introduction

4

II ) Sources, Tensions, Courants et Récepteurs électriques

6

II – 1) Sources

6

II – 2) Régime Continu ( DC ou =)

6

II – 3) Régime alternatif sinusoïdal ( AC ou ~ )

7

II – 4) Représentation complexe des courants et tensions alternatifs sinus

7

II – 5) Exemples :

10

II – 6) Régime périodique quelconque

11

III) Les puissances électriques

12

III – 1) Introduction

12

III – 2) Puissance électrique en régime continu

12

III – 3) Puissance électrique en régime alternatif quelconque

13

III – 4) Puissance électrique en alternatif sinusoïdal

14

III – 5) Problème du facteur de puissance et compensation de la puissance réactive

16

III – 6) Mesure des puissances électriques

17

III – 7) Exemples

18

IV ) Circuits à courants alternatifs triphasés

19

IV – 1) Introduction

19

IV – 2) Tensions triphasées

19

IV – 3) Couplage des phases

20

IV – 4) Charges triphasées

22

IV - 5) Neutre, neutre fictif

23

IV - 6) Système équilibré, schéma équivalent monophasé

23

IV - 7) Système déséquilibré et importance du neutre

24

IV – 8 ) Puissances en Triphasé

25

IV - 9) Exemples

26

IV - 10) Mesures de puissances en triphasés

27

Version Web fournie par par le professeur – Interdiction – Interdiction de reprographier

2

Sommaire : I) Introduction

4

II ) Sources, Tensions, Courants et Récepteurs électriques

6

II – 1) Sources

6

II – 2) Régime Continu ( DC ou =)

6

II – 3) Régime alternatif sinusoïdal ( AC ou ~ )

7

II – 4) Représentation complexe des courants et tensions alternatifs sinus

7

II – 5) Exemples :

10

II – 6) Régime périodique quelconque

11

III) Les puissances électriques

12

III – 1) Introduction

12

III – 2) Puissance électrique en régime continu

12

III – 3) Puissance électrique en régime alternatif quelconque

13

III – 4) Puissance électrique en alternatif sinusoïdal

14

III – 5) Problème du facteur de puissance et compensation de la puissance réactive

16

III – 6) Mesure des puissances électriques

17

III – 7) Exemples

18

IV ) Circuits à courants alternatifs triphasés

19

IV – 1) Introduction

19

IV – 2) Tensions triphasées

19

IV – 3) Couplage des phases

20

IV – 4) Charges triphasées

22

IV - 5) Neutre, neutre fictif

23

IV - 6) Système équilibré, schéma équivalent monophasé

23

IV - 7) Système déséquilibré et importance du neutre

24

IV – 8 ) Puissances en Triphasé

25

IV - 9) Exemples

26

IV - 10) Mesures de puissances en triphasés

27


2

1

V ) Transformateurs V - 1) Introduction

28

V - 2) Transformateur monophasé idéal

29

V - 3) Transformateur monophasé réel

30

V - 4) Exemple

32

V - 5) Transformateurs triphasés

33

VI ) Les harmoniques

35

VI – 1 ) Bases mathématiques

35

VI – 2 ) Application aux signaux électriques

35

VI – 3 ) Puissance déformante et formule générale des puissances

36

VI – 4 ) Sources d'harmoniques et propagation

37

VI – 5 ) Exemple de système polluant

37

VII ) Les régimes transitoires

38

VII – 1 ) Régime permanent et régime transitoire

38

VII – 2 ) Calcul des régimes transitoires du premier ordre

38

VII – 3 ) Etude des régimes transitoires du second ordre

39

VII – 4 ) Régimes transitoires avec tensions sinusoïdales

40

VIII ) Le Réseau Electrique

1

28

41

VIII – 1) Organisation globale

41

VIII – 2) Nature de la tension, comparaison continu / alternatif

42

VIII - 3) L’alternatif sinusoïdal et le triphasé

43

VIII – 4) Le réseau réel

46

VIII – 5) Gestion de la production et différenciation des sources

48

VIII – 6) Modélisation de parties du réseau

49

VIII – 7) Ecroulement de la tension et interconnexion internationale

50

Source de la photo de la page de garde : photothèque de RTE : www.rte_france.com


3

I) Introduction Qu'est ce que l'électrotechnique ? C'est la partie de la physique qui regroupe les technologies de : Production, Transport, de L' Energie Electrique Transformation, Exploitation (ou Consommation) C'est une matière dans laquelle on s'intéresse en priorité à l'aspect énergétique des systèmes rencontrés.    

Comment tout d'abord bien comprendre ce qu'est l'énergie ? Avant tout, il faut saisir que l'énergie est un concept de la physique. Tous les systèmes physiques sont reliés entre eux par les forces fondamentales de la physique (attraction, électromagnétisme, etc…) et leurs conséquences. Les "êtres physiques" étant reliés par ces forces, ils se trouvent en permanence en état d'interaction ou "d'échange". Comme il faut lui donner un nom, la "substance" de cet échange s'appelle l'énergie et son unité est le Joule ( J J ). ). 2 Les caractéristiques de la notion d'énergie sont les suivantes : Il ne peut y avoir création ou disparition d'énergie mais seulement transformation d'une forme en une autre (principe de Mayer) ou transfert d'un système à un autre (principes de Carnot). Il peut y avoir transformation d'énergie en matière dans les réactions nucléaires selon la formule d'Einstein E=mc² d'Einstein E=mc² comme comme quoi la matière est un "réservoir" "réser voir" d'énergie. Toute conversion s'accompagne de pertes, autrement dit une énergie ne se transforme jamais intégralement en une autre, autr e, ces c es pertes impliquent la notion de rendement des systèmes de conversion d'énergie. 





Pourquoi l'électricité est au cœur des réalités énergétiques énergétiques actuelles actuelles ? Le graphe ci dessous illustre les différents types d'énergie qui existent et les transformations possibles.

2

Source : Dictionnaire petit Larousse illustré 2001


4

Il est aisé de constater que l'énergie électrique est directement ou indirectement reliée, reliée, et ce de façon réversible (sauf nucléaire), à l'intégralité des énergies existantes. En bref, il est possible de générer de l'électricité à partir de toutes les sources d'énergie et inversement. De plus, avec l'électricité, la réversibilité, le transport, la transformation et le chiffrage sont faciles à réaliser, la plupart du temps inodore, invisible, et peu bruyant… d'où sa quasi universalité. En revanche, l'électricité ne se stocke pas, pas, un défaut qui a des conséquences très importantes sur le fonctionnement des réseaux de production et de distribution d'énergie électrique.

Comment quantifier l'énergie, et pourquoi parler de puissance ? Quel que soit son type, toute énergie dépend du temps. Plus on fait travailler un système (l'énergie s'appelle aussi le travail), plus la quantité d'énergie mise en jeu augmente. Il est alors très peu pratique de manipuler et de mesurer ces quantités puisqu'elles sont en perpétuelle expansion. Il est beaucoup plus aisé de raisonner sur la quantité d'énergie par unité de temps, c'est ce qu'on appelle la puissance dont l'unité est le Watt (W (W ). ). On retiendra la formule fondamentale :

P  dW dt Watts W

Joules J Secondes s

NB : pour quantifier la consommation du moteur d'une voiture, on parle du nombre de litres de carburants dépensés pour faire 100km. On peut également parler de la puissance (en chevaux) développée par ce moteur. On est par contre incapable de préciser combien de litres d'essence la voiture a consommé depuis qu'elle existe ou le nombre total de Joules qu'elle a converti en couple moteur. C'est l'illustration du fait qu'on manipule les question énergétiques en raisonnant sur la puissance et non pas sur le travail .

Pour finir, le fait que la transformation d'énergie soit source de pertes s'exprime par la notion de rendement énergétique dont on retiendra la définition suivante :

  Pu

Puissance utile de la conversion d'énergie

Pt

Rendement

Puissance totale consommée = Pu = Pu + Pertes

Comme il existe toujours des pertes, il résulte que

<1. <1.

Comment s'exprime une puissance électrique ? Une puissance électrique est toujours le produit d'un Courant (en Ampères) avec une Tension (en Volts), le tout multiplié par un facteur de puissance (sans dimension). On retiendra la fomule générique suivante :

P elec elec = V.I.k

k  [0,1] étant le facteur de puissance

Quelles grandeurs doit on alors maîtriser en électrotechnique ? Etant donné la formulation des puissances électriques, il est nécessaire de pouvoir pouvoir calculer, prévoir et maîtriser maîtris er tous les courants, tensions et puissances d'un système afin de maîtriser maîtri ser les différentes énergies qui y sont mises en jeu.


5

II ) Sources, Tensions, Courants et Récepteurs électriques II – 1) Sources Une source d'énergie électrique se définit comme un dipôle qui impose une grandeur électrique à ses bornes. Ainsi, il existe deux grands types de sources : Les sources de tension et les sources de courant. Les symboles associés sont représentés ci-dessous : I I ou U Symbole d'une Source de tension

Symboles d'une source de courant

Chaque source impose également un type de grandeurs électriques. On parle alors de régime dont on distingue trois grands types : Régime de tension (ou courant) continu ~ Régime de tension (ou courant) sinusoïdal Régime de tension (ou courant) alternatif quelconque   

II – 2) Régime Continu ( DC ou =) On parle de régime continu dès lors qu'on utilise des générateurs de tension ou de courant continu tels les piles, accumulateurs, batteries, génératrices à CC, dynamos. En régime permanent continu, les tensions et courants ne dépendent pas du temps, la seule chose qui les caractérise est leur valeur.

-Sources +

Les sources de tension continues se symbolisent comme suit :

-

Générateur

+

-

pile ou accumulateur

- Récepteurs Le seul récepteur existant en régime établi continu est la Résistance dont le fonctionnement est régi par la loi d'Ohm : R

I

U =R.I

R en Ohm (  )

- Puissance Lorsqu'un récepteur électrique en régime continu est soumis à la fois à une tension et à un courant, il est le siège d'une dissipation de puissance. On dit alors que la puissance électrique est fournie par la source et consommée par la résistance. Ur I

U

R

Générateur

Récepteur

P fournie=U.I

P reçue=Ur.I

La formulation de la puissance mise en jeu est tout simplement :

P =U.I =R.I² =U²/R NB : En régime continu, le facteur de puissance vaut 1.

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II – 3) Régime alternatif sinusoïdal ( AC ou ~ ) On est confronté au régime alternatif sinusoïdal dès lors qu'on utilise une source de tension ou de courant sinusoïdal tels une prise électrique reliée au réseau, une sortie de transformateur, un générateur sinus, un alternateur, etc.

-Sources Les sources de tension sinusoïdales se symbolisent comme suit :

~

-Nature des tensions et courants En alternatif sinusoïdal les choses se compliquent, les tensions et les courants dépendent du temps. Ainsi une grandeur sinusoïdale s'écrira : s(t) = Smax.sin( .t) où S max est l'amplitude du signal et la pulsation reliée à la fréquence par la formule 2 f et à la période par la formule  Pour exprimer simplement, par une valeur significative, un tel signal on dispose d'une valeur caractéristique qui sera toujours la valeur énoncée par défaut dès lors qu'on parlera d'une grandeur sinusoïdale : La valeur efficace On note S eff ou S la valeur efficace d’un signal s(t) périodique de période T. Seff= 1 s²(t )dt T (T )



A savoir, mais c'est une exception limitée au signaux sinusoïdaux : dans le cas d'un signal sinusoïdal pur : S eff = 1 . S max 2

NB : Un courant continu I qui passe dans une résistance dissipe la puissance P=R.I². Un courant sinusoïdal de valeur efficace I eff qui passe dans la même résistance dissipe la puissance R.I eff ². La valeur efficace I eff = 1 . I max 2 du courant alternatif sinusoïdal permet donc de faire le même effet thermique qu’un courant continu de valeur I,

2 fois plus petit que la valeur maximum du courant sinusoïdal.

II – 4) Représentation complexe des courants et tensions alternatifs sinus En régime alternatif, il existe trois grands types de dipôles : les résistances, comme en continu, mais aussi les inductances et les capacités. A chacun de ces dipôles correspond une relation liant la tension à ses bornes et le courant qui le traverse. Les relations générales courant tension sont : u Résistance : u(t) = R.i(t) i R di(t ) Inductance : u(t) = L. L en Henry (H) dt L i

i

Condensateur : i(t) = C. C

du (t ) dt

C en Farad (F)


7

Rappels sur les nombres complexes : Soit z  C , C étant l’espace en deux dimensions des nombres complexes, on peut écrir e : z = a + i.b avec i le nombre complexe unité tel que i² = -1. On préfère, en électricité, et pour ne pas confondre i avec un courant, écrire : z = a+jb avec j le nombre complexe unité. On représente de façon classique les nombres complexes dans un plan appelé plan complexe représenté ci contre : Im : partie imaginaire - La norme (ou module) du complexe z s’écrit : r =  z  =  (a² + b²) z b - La projection du module sur les axes donne : r  a = r.cos et b = r.sin - D’où l’écriture polaire du nombre complexe z : a j Re : partie réelle z = a + i.b = r(cos  + jsin ) = r.e -  est appelé l’argument de z , on écrit  = Arg(z ) = Arctan(b/a) Problème posé par les formules générales : Imaginons qu'on veuille déterminer la relation liant Vs(t) à Ve(t) sur l'exemple suivant : R Ve

L

C

Vs

La solution est celle d'un système d'équations différentielles reliant tensions et courants. Ces équations représentent une résolution mathématique lourde et malaisée, voilà pourquoi on va utiliser en régime sinusoïdal une autre représentation des tensions et courants sinusoïdaux, on appelle ça la représentation complexe des grandeurs sinusoïdales. (qui paradoxalement simplifie la vie) Pour cela, on part de la remarque suivante : Une grandeur sinusoïdale de type u(t)=U m.cos( . t +  ) peut être considérée comme la partie réelle du nombre complexe U m.exp(j.(  .t +  )) j(  .t   ) )Re( Um (cos( .t  ) j.sin( .t  ))) u(t )U m.cos( .t  )Re( U m.e L'avantage de cette notation réside dans le fait qu'il est beaucoup plus facile de calculer le résultat d'une équation différentielle en complexe qu'en temporel. On comprend vite le bénéfice de cette opération sur un exemple: Exemple : Calculons u(t)+u'(t) avec u(t)=U m.cos( . t ). (u' étant la fonction dérivée de u) u(t)+u'(t) = U mcos( . t) – U m. .sin( . t) en sinusoïdal ... j t = Re((1+j.  )U m.e ) en complexe D'après la notation complexe, on déduit très vite que le résultat est une sinusoïde de module

U m. 1 2 et de

phase  =Arctan(  ) c'est à dire que :

u(t) +u'(t) = - U m.

1 2 sin( . t +  )

Il faut bien noter que pour représenter une grandeur sinusoïdale, il suffit de connaître son module et sa phase (quand la fréquence est constante). L’information contenue dans la fonction e j t n’est pas intéressante, voilà pourquoi on va même pouvoir l’enlever.


8

En électrotechnique comme en électronique, l’écriture sous forme complexe des courants et des tensions se fera toujours sous une forme conventionnelle. Les conventions de représentation et de notations sont résumées dans le cadre ci dessous : Grandeurs temporelles : u(  )

i(  )

u(t)= U m.cos( . t) = U 2 . cos( . t) i(t)= U m.cos( . t -  ) = I 2 .cos( . t -  )

0

 t

2

 >0 Grandeurs Complexes :

+

Im U=U (avec U =U m / 2) -j I = I.e (avec I =I m / 2) On représente ces complexes dans le plan complexe, on appelle ceci un "diagramme de Fresnel"

U Re

 >0

I

NB : Les grandeurs notées I et U forment ce qu'on appelle "l'amplitude complexe" de U et I c'est à dire le nombre complexe associé privé de  2.exp(j.  .t), terme qui n'amène aucune information et contribue à la lourdeur des calculs.

En utilisant la notation complexe, les relations générales courant tension des dipôles de base deviennent alors : U I

Résistance : U = R.I

càd

Inductance : U = j.L.  .I

càd

R U

I

L

U I

U I

= R

= j.L. 

U I

Condensateur : I = j.C. .U , U = C La grandeur, notée Z =

U I

1 I càd j.C .

U I

=

1 j.C .

, est appelée impédance.

NB : Le module de l'impédance représente le rapport des modules de la tension et du courant, c'est ce qu'en continu on appelait la résistance mais qui, en alternatif, dépend de la fréquence.

Les règles d'association d'impédances sont les mêmes que celles des résistances : série : Zeq = Z1+Z2

Z 2

Z

Z eq Parallèle: Zeq=

Z Z 2

Z eq


Z 1. Z 2 Z 2  Z 1

9

II – 5) Exemples :  Exemple 1 : Résolvons le circuit ci dessous. L Vs

R

Ve

L'équation de maille, en notation complexe, qui lie Vs à Ve est : Ve = jL  .I + R.I Vs = R.I Ve D'où Vs/Ve= R/(1+jL /R) donc : Vs=R et  = Arg(Vs) = -Arctan(L  /R) R²( L )² On peut également représenter le diagramme de Fresnel associé à cette maille : + Im Ve

Re j.L..I

Vs = R.I

 >0

L'application du théorème de Pythagore donne directement : Ve Ve Ve² = (RI)²+(L  I)² d'où I= et Vs=R R²( L )² R²( L )² L ) R  Exemple 2 : Résolvons le circuit suivant, c'est à dire déterminons la relation liant Vs(t) à Ve(t) : On remarque aussi que tan(  )=L  /R d'où

 =Arctan(

R Ve

Pour cela, on va calculer

Vs Ve

 

Vs Ve

sachant que l'impédance de L//C est : (L//C)=

( L // C )  R

j. L. (1  L.C .( j )²) R  j. L.

Ainsi :

Vs = Ve.

C Vs

:

( L // C )

En calculant le module de

L

Vs Ve



j. L. 1  L.C .( j )²

j. L. L 1  j.   L.C .( j )² R

, on obtient le rapport des modules de Vs(t) et de Ve(t) :

L

L (1  LC  ²)²  (  )² R Pour la phase, il suffit de calculer l'argument.


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II – 6) Régime périodique quelconque A partir du moment où un courant ou une tension électrique périodique n'est ni continu ni sinusoïdal, on dit qu'il est quelconque. A partir de là, il existe deux grandeurs caractéristiques servant à l'exprimer : 1 ) La valeur moyenne Pour un signal périodique s de période T, on note sa valeur moyenne. = 1 s(t )dt T (T )



On dit aussi que représente la composante continue de ce signal. NB : Si le signal est sinusoïdal pur, sa valeur moyenne est nulle (intégrale sur une période d’un sinus).

2) La valeur efficace On note S eff ou S la valeur efficace d’un signal quelconque s périodique de période T. Seff= 1 s²(t )dt T (T )



NB : Les courants et tensions quelconques peuvent se développer en somme de sinusoïdes, c'est ce qu'on verra au paragraphe VI consacré aux harmoniques et qui amènera la notion de spectre qui normalise le traitement des signaux.


11

III) Les puissances électriques III – 1) Introduction En physique, une puissance représente une quantité d’énergie par unité de temps. Ainsi, un système qui fournit beaucoup de puissance fournit beaucoup d’énergie (Joules) par secondes, on appelle ça des Watt (1W = 1J/s). Le concept de puissance est un outil indispensable et très apprécié en électrotechnique, il permet d’ailleurs souvent, par la technique des bilans de puissance, d'avoir une vision globale des systèmes et de leurs utilités. La puissance électrique témoigne de la cohabitation de tension et courant dans un récepteur ou un générateur électrique. En revanche, il existe, avec les courants alternatifs, des cas de cohabitation de tension et courant ne correspondant à aucune puissance, on fait alors apparaître un "facteur de puissance" compris entre 0 et 1 dans l'expression des puissances. La formulation générale, de la puissance électrique consommée par un récepteur est la suivante :

P = k.V.I , k / 0
I

P s'exprime en Watts (W)

V

Cette formulation, établie en convention récepteur, fait apparaître une convention de signe des puissance électriques : P>0 correspond à une puissance consommée par le récepteur P<0 correspond à une puissance fournie par le récepteur

III – 2) Puissance électrique en régime continu Le courant continu représente le cas le plus simple de calcul de puissance électrique puisque le facteur de puissance vaut 1. Le seul récepteur passif étant la résistance, on peut résumer ce calcul sur le schéma ci-dessous. Vr V

I

R

Générateur

Récepteur

P fournie=V.I

P reçue=Vr.I

Comme l’énergie (et donc la puissance) ne se perdent pas (on dit qu’elles sont conservatives), l’énergie produite est égale à l’énergie consommée. Donc : V.I = V R.I = R.I² puisque V R= RI aux bornes de la résistance. Avec les conventions NB : Souvent, pour ne pas confondre puissances fournies et consommées, on leur donne des signes. En convention récepteur, une puissance fournie est négative et une puissance consommée positive, on appelle ça la convention des banquiers puisque la puissance est négative quand elle est fournie (débit).


12

III – 3) Puissance électrique en régime alternatif quelconque En alternatif, il existe plusieurs types de puissances. Il existe en effet des éléments résistifs et des éléments réactifs (inductances et capacités) auxquels correspondent respectivement la puissance active et la puissance réactive. La puissance active est l’équivalent de celle décrite plus haut, c’est à dire qu’elle s’exprime en Watt et chiffre la consommation ou la production d’énergie par seconde. C’est ainsi aussi ce qu’on appelle une puissance moyenne.

Puissance active Pour un récepteur quelconque, alimenté par une tension quelconque u(t) périodique de période T , et traversé par un courant i(t), la puissance active ou moyenne s’écrit :



P =
= 1 v(t ).i(t ).dt T (T )

i t v t

Unité : le Watt (W) Cette puissance est uniquement due aux éléments dits actifs (résistances et éléments mécaniques), c’est à dire aux éléments qui consomment réellement de l’énergie. Puissance apparente On constate que la puissance active n’est pas en général égale au produit des valeurs efficaces de v(t) et i(t). On appelle le produit courant / tension la puissance apparente :

S =Veff .I eff =V.I Unité : le Volt Ampère (VA) Il apparaît immédiatement que le facteur de puissance s'exprime :

k =P / S

En continu, la puissance active est égale à la puissance apparente (k=1). En alternatif, la différence entre les deux est due aux éléments réactifs (inductances et capacités) et (ou) à la présence d'harmoniques (tensions ou courants non sinusoïdaux). On dit alors qu'il existe une puissance dite réactive et une puissance dite déformante qui ne participent pas à la création d’énergie réelle .

Puissance réactive Q est la puissance dit réactive ou "fluctuante", elle est due au déphasage des tensions et courants. S'il n'y a pas de déphasage entre courant et tension alors Q=0. Unité : le Volt Ampère Réactif (VAR) Puissance déformante D est la puissance dite déformante qui est liée à la présence d’harmoniques dans le courant ou la tension, c'est à dire au fait que l'un ou l'autre est non sinusoïdal. Si les courants et les tension sont sinusoïdaux, alors D=0.

La formule générale permettant de relier les différentes formes de puissances est :

S² =P² +Q² +D²


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III – 4) Puissance électrique en alternatif sinusoïdal En alternatif sinusoïdal, les différentes puissances s'expriment facilement en focntion de V, I et du déphasage  entre courant et tension. En partant toujours de l’hypothèse d’une tension et d’un courant déphasés d'un angle φ : v(t) = V max.cos( t ) i(t) = I max.cos( t – φ )

v(  )

i(  ) 0

2

 t

 >0 Puissance apparente

S =Veff.I eff =V.I Puissance active 2





P = 1 v(t ).i(t ).dt  1 V max.cos . I max cos(  ) T (T ) 2 0

V max. I max 2

2

V max.I max.cos 2

 12 (cos(2  )cos( )) 0

Afin d'uniformiser l'écriture de la puissance active, on utilise uniquement les tensions et courants efficaces I=I max /  2 et V=V max / 2. La puissance active s'écrit alors :

P =V.I.cos Facteur de puissance En alternatif sinusoïdal (uniquement), le facteur de puissance est :

k =cos Puissance réactive Comme S² = P² + Q² ( D=0 en alternatif sinusoïdal), on retiendra que :

Q =V.I.sin On retiendra par cœur le tableau récapitulatif suivant :

P = 1 u(t ).i(t ).dt =U.I .cos T (T )

où U= U max et I= Imax 2 2

S =V.I =P² +Q² Q =V.I.sin k =P =cos S

NB : Il faut bien comprendre que ces formules, bien que très souvent rencontrées en électrotechnique, représentent un cas particulier de calcul de puissances en régime sinusoïdal pur .


14

Pour relier toutes ces grandeurs en régime sinusoïdal pur, on peut faire apparaître une grandeur de calcul : la puissance apparente complexe : S

S =V.I* Comme I=I.exp(-j )=I.cos – I.sin ,

( I* est le complexe conjugué de I )

V.I*=V.I.exp(+j )=VI.cos +V I.sin donc :

S =P +j.Q S= S

On retrouve également :

On exprime dans le tableau ci dessous les puissances fournies par les différents récepteurs fondamentaux de l’électrotechnique en alternatif sinusoïdal. S = V.I* = R.I.I* = R.I² = U²/R

P =R.I² =U²/R

S = V.I* = jL  .I.I* = j.L .I² = j.U²/L

P =0

S = V.I* = V.(-j.C  V) = -jC V ² = -j.I²/C 

P =0

Résistance

Inductance

Condensateur

U

Q =0 I

R

Q =L .I² =U²/L I

Q =-C V² =-I²/C

L

I C

NB : On comprend donc que les résistances sont les seuls récepteurs passifs à consommer de la puissance active, les inductances sont les seules à consommer de la puissance réactive et les capacités les seules à en produire.

Pour finir, il faut citer l’indispensable Théorème de Boucherot : « La puissance active d’un système est la somme des puissances actives des éléments le constituant, de même pour la puissance réactive. » (Cependant, c’est faux en ce qui concerne la puissance apparente.) On représente le théorème de Boucherot par le schéma ci dessous qui fait apparaître n charges consommant chacune sa puissance active et sa puissance réactive : I V P 1 , Q1

S =V.I

P 2 , Q2

P =P1 +P2 + … + P n

…

P n , Qn

Q =Q1 +Q2 + … +Qn

NB : Attention ! Le théorème de Boucherot est valable à fréquence constante Par ailleurs, en général : S V1.I1 +V2.I 2 + … + V nI n


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III – 5) Problème du facteur de puissance et compensation de la puissance réactive La présence d'un facteur de puissance <1 dans une installation a une conséquence très négative : Le courant fourni pour produire cette puissance est surélevé par rapport au cas où le facteur de puissance est égal à 1. L'exemple simple ci-dessous le confirme : V

I

cos = 1 Puissance P

V

I

cos = 0.5 Puissance P

I cos =1 = P/V I cos =0.5 = P/V/0.5 = 2I cos =1 ! En revanche, la tarification de l'énergie comptabilise uniquement la puissance active consommée. De ce fait, les deux utilisateurs ci-dessus payent la même facture, alors que le récepteur dont le cos =0.5 consomme deux fois plus de courant efficace. En revanche, les sociétés de production d'énergie électrique surtaxent les utilisateurs dont le cos est <0.8, de manière à pénaliser le surdimensionnement du réseau qu'implique la nécessité d'un courant trop grand. Quand une installation , ou un réseau électrique présente un cos <0.8, il est nécessaire de modifier l'installation de manière à élever ce facteur. Etant donné que la grande majorité des installations sont plutôt inductives, c'est-à-dire que le cos <1 est dû à la présence d'inductances dans les circuits, la manière la plus simple d'élever le cos est de placer une batterie de condensateurs en tête de l'installation. On appelle ça la compensation de l'énergie réactive. Compensation d'énergie réactive  Considérons l'impédance Z = r.e j = R+jX , représentant une charge inductive ( X >0), ci contre. La puissance réactive correspondante est Q = X.I² L'ajout d'un condensateur C en tête du circuit ne modifie pas la charge et ne rajoute aucune puissance active. En revanche, C consomme de la puissance réactive et va donc donner un nouveau facteur de puissance : cos' On sait que QC = -C V ² . Le théorème de Boucherot apporte : Qtot = Q + Q C

I V

Z cos <1

I V

C

Z

cos '=1 La compensation de puissance réactive consiste à assurer Qtot = 0 c'est-à-dire à QC = Q et cos '=1 Le Condensateur à choisir a alors la valeur : C = X.I²/ V ² = Q/ V ² NB : Pour ne pas sur-dimensionner inutilement les condensateurs, on a tendance à calculer leurs valeurs pour aboutir à cos  =0.9 (0.92 pour EDF , soit tan  =0.42).

Du coup il est intéressant de connaître la formule générale qui donne la valeur de la capacité en fonction du cos et du cos '. On montre qu'en partant d'un tan, la capacité permettant d'obtenir la valeur tan' est : P .(tan tan ') C   V ² NB : Cette façon de compenser l'énergie réactive s'appelle "compensation statique". Il existe une autre manière : la compensation par compensateur synchrone, c'est-à-dire par un alternateur sur ou sous excité synchronisé sur la tension réseau. NB : Il est impossible, par ces procédés de compenser de la puissance déformante.


16

III – 6) Mesure des puissances électriques Habituellement en électricité, la mesure des grandeurs dépend de leur nature. On mesure les tensions et les courants continus avec des appareils en mode DC , qui n'affichent que la valeur moyenne de la grandeur mesurée. Les appareils en mode AC fournissent la mesure de la valeur efficace (" RMS" ) de la grandeur en général privée de sa valeur moyenne. Certains appareils fournissent la valeur efficace vraie, on y lit alors l'indication "True RMS" . Mesure d'une puissance Active Pour mesurer la puissance active consommée ou fournie par un dipôle, il n'existe qu'un seul type d'appareil : le Wattmètre. Il n'y a pas de distinction de Wattmètre AC ou DC étant donné que celui ci mesure systématiquement la puissance moyenne (ou active) Un Wattmètre se symbolise par l'indication W et comporte 4 bornes : entrée du circuit "courant"

I

W

sortie du circuit "courant"

Le wattmètre mesure : W = = P moy

V circuit "tension"

En général, le wattmètre apparaît sur les schémas comme sur l'exemple ci contre :

I

W

V

Charge

Mesure d'une puissance Apparente Pour mesurer une puissance apparente, il suffit de mesurer indépendamment V et I , c'est à dire disposer d'un voltmètre et d'un ampèremètre en mode AC (ou DC uniquement si les tensions et courants sont parfaitement continus) I Ces appareils apparaissent sur les A schémas comme sur l'exemple ci contre : V V Charge S = V.I

Mesure d'une puissance Réactive ou Déformante Pour mesurer une puissance réactive, on peut utiliser un appareil spécialisé appelé VARmètre. Pour mesure sans distinction une puissance réactive ou déformante, et de façon plus classique, il suffit de mesurer S et P et d'écrire Q² + D² =  (S²-P²) En général, seule Q ou D est présente dans un circuit, ce qui permet de simplifier l'étude. Quoiqu'il en soit, il est nécessaire de disposer dans l'absolu d'un wattmètre, d'un voltmètre et d'un ampèremètre comme le représente le schéma ci dessous : Q =  (S²-P²) = V.I.sin en alternatif sinusoïdal uniquement

I

A

V V

W Charge

D =  (S²+P²) en général NB : il est parfois inutile d'utiliser un wattmètre. Si on connaît la valeur R de la partie réelle de l'impédance de la charge (càd la résistance équivalente série), il suffit d'écrire P=R.I². De même si on connaît la valeur R de la résistance parallèle équivalente de la charge, on peut écrire P = V²/R..


17

III – 7) Exemples Exemple 1 : en sinusoïdal Reprenons le circuit déjà utilisé plus haut, et calculons les expressions de la puissance active, réactive et apparente par plusieurs méthodes. En profiter pour calculer le facteur de puissance. I R U

C

L

1) Calcul formel Formons la puissance apparente complexe : S = U.I* = Z.I² j. L. où Z = R + L//C et (L//C)= 1  L.C .( j )²

j.L . I² 1 L .C. ²

S = RI² + = P + j.Q

Par identification, on trouve immédiatement P et Q, quand à S = U.I =

R² (L  )² I ² . 1 L .C. ²

2) Calcul direct On sait que P est consommée uniquement par la résistance, d’où P=R.I² U-RI ² C  U-RI ² D’autre part, Q = QL + QC = L L . I² = 1 L .C. ² Le facteur de puissance, lui, découle directement du quotient P/S: Cos = P = 1 L .C. ² S R²  (L  )² Exemple 2 : en non sinusoïdal On considère un récepteur inconnu qui, alimenté par une tension sinusoïdale à 50Hz, absorbe un courant en créneaux représenté ci après. u(t) Umax Io On demande alors les puissances active, i(t) réactive et apparente. 0 t T / 2

P =
= 1 u(t ).i(t ).dt =2 1 U max .sin( t).I o.dt = 2 U max.I o T 0 T (T ) 





Pour calculer S , il faut calculer Ieff = Donc : S =Io. Umax 2

d’où

Q=

1 i²(t).dt = Io

T ( T)

S²  P²  I o.U.(1 8 ) et k =P/S =2 2/

 ²


18

IV ) Circuits à courants alternatifs triphasés IV – 1) Introduction Les systèmes de tensions et courants triphasés forment la réalité des unités de production et de distribution de l'énergie électrique. Avant de savoir de quoi sont formés ces systèmes, il est important de comprendre le pourquoi de l'existence du triphasé. Comparons deux lignes de distribution équivalentes : l'une monophasée l'autre triphasée. On s'intéressera au volume de cuivre nécessaire au transport du courant, sachant qu'on supposera que pour fonctionner correctement les conducteurs électriques supportent une densité de courant constante et égale à  ( A/mm²) :

V

 S = I/  = V/R Vol Cu = 2.L.S = 2.L.V/R 

Monophasé : I = V/R

R

V longueur L

3R 3R

 S = I/  = V/3R  Vol Cu =3.L.S = L.V/R

Triphasé : I = V/3R

3R longueur L

On constate, en comparant les volumes de cuivres nécessaires, que pour fournir la même puissance à deux charges équivalentes, le réseau triphasé nécessite paradoxalement deux fois moins de cuivre que le réseau monophasé. Plusieurs autres raisons, détaillées au paragraphe VIII-3 s'ajoutent à ces considérations technologiques et économiques et font du réseau triphasé l'incontournable acteur de la distribution électrique.

IV – 2) Tensions triphasées Un système triphasé est un système de trois tensions sinusoïdales de type : V 1(t) = V 2 . cos( . t) V 2(t) = V 2 . cos( . t-2 /3) V 3(t) = V 2 . cos( . t+2 /3) La représentation temporelle de ces tensions est conforme au schéma ci dessous : V 1(t) Vmax =  2.Veff

V 2(t)

V 3(t) t

Cette représentation est peu reproductible à main levée et peu parlante puisque la valeur des déphasages ne saute pas aux yeux. La représentation complexe de ces tensions, elle, offre plus de maniabilité puisqu'elle expose les caractéristiques importantes : tensions efficaces et déphasages. Ici, les trois phases se ramènent juste à trois vecteurs de même amplitude et déphasés de 2/3.


19

V 3

Im

-2 /3

V 1 Re -2 /3

V 2

La représentation du schéma électrique, elle, n'est pas évidente. V 3

V 2 V 1

Si on considère les trois phases indépendantes, il apparaît deux problèmes : - il n'y a pas de référence de tension commune - le système se ramène à six fils et non trois, ce qui supprime les avantages cités précédemment. Il est alors nécessaire de relier certains fils, c'est ce qu'on appelle coupler les phases.

IV – 3) Couplage des phases Couplage en étoile (Y) Une première façon de coupler les phases est le couplage en étoile, qu'on représente ci dessous : V 3

1 U 12

N

ou

N

V 2

3

V 1

V 1

2

V 3

V 2

Le raccordement des trois phases réalise la référence de tension qu'on appelle le Neutre. On représente également, c'est plus simple, les système en étoile comme ceci : 1 N

2

U 12

3

V 3

V 2

V 1

NB : Le symbole type "bobine" des générateurs représente le fait que ces tensions sont généralement crées par les trois bobinages d'un alternateur ou prises en sortie des trois bobinages d'un transformateur triphasé.


20

Les tensions V 1 ,V 2 ,V 3 sont appelées les tensions simples, elles ont pour référence le potentiel 0 du neutre (N), les tensions U 12=V 1-V 2 , U 31=V 3-V 1 et U 23=V 2-V 3 sont appelées les tensions composées ou "entre phases". NB :Conventionnellement dans les installations électriques le de neutre porte la couleur bleue et les trois phases le rouge, marron et noir.

Il est important de déterminer l'amplitude des tensions "entre phases", pour cela, la représentation complexe permet encore la plus grande facil ité. Il suffit pour cela de construire les vecteurs U 12 = V 1 – V 2 , U 23 = V 1-V 3 et U 31 =V 3-V 1. On voit ainsi apparaître un nouveau système de tensions triphasées : U 12 , U 23 , U 31 V 3

U 31

Im

U 12 V 1 Re -2 /3

V 2

U 23 La relation qui existe entre l'amplitude V et U se calcule facilement par projection 2.Vcos(  /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. Couplage en Triangle ( ) Il existe une autre manière de connecter trois tensions triphasées. Il est en effet possible de connecter les trois tensions en série de manière à former le montage dessiné ci dessous. 3

U 3

U 2

I 31 1

ou I 23

U 1

2

U 1

U 3 J 1 I 12

U 2 Ce montage ne possède ni neutre ni tensions simples. Par contre, il présente deux types de courants : les courants I qu'on appelle les courants de ligne et les courants J : qu'on appelle les courants de phase. On montre également, comme on l'a fait avec U et V du montage étoile que la relation qu'il existe entre les amplitudes I et J est :

I= 3 .J

NB : le montage en triangle est possible puisqu'il n'existe pas de courant de circulation interne dans les enroulements de phase. En effet, à tout moment, U 1(t) + U 2(t) + U 3(t) = 0


21

Pour résumer :

Montage étoile tensions simples : V 1 ,V 2 ,V 3 valeur efficace : V tensions composées : U 12 ,U 23 ,U 31 valeur efficace : U

1 U 12

N 3

2

V 3

V 2

Relation :

I 31

3 1

U 1

J 1 I 12

U= 3 .V

Montage triangle courants de ligne : I 12 ,I 23 ,I 31 valeur efficace : I courants de phase : J 1 ,J 2 ,J 3 valeur efficace : J

U 3

2

I 23

V 1

Relation :

U 2

I= 3 .J

IV – 4) Charges triphasées Les systèmes triphasés ont, en général, des charges réparties sur les trois phases. De même qu'avec les générateurs, il est possible de connecter ces charges en étoile ou en triangle comme le représentent les schémas ci-dessous : V 3

V 3

Z 13

Z 3 N

N

V 2 V 1

Z 1

Charge câblée en étoile

Z 2

V 2

Z 23

V 1

Z 12

Charge câblée en triangle

La manière de connecter des charges permet de présenter des valeurs de tension simple ou de tension composée aux récepteurs. On parle d'équivalence de deux charges triphasées si la puissance consommée est identique. Il est possible, pour chaque système de charge, de déterminer le système étoile ou triangle équivalent. La transformation triangle étoile peut être utilisée comme artifice de calcul pour la résolution de certains cas difficiles. NB : exemple : 3 résistances R consomment en charge étoile la puissance 3.V²/R 3 résistances R' consomment en charge triangle la puissance 3 .U²/R' = 9.V²/R' Les deux charges sont équivalentes si R' = 3R.


22

IV - 5) Neutre, neutre fictif Dès lors qu'un système triphasé est couplé en étoile, on voit apparaître un point, noté N , qui s'appelle le Neutre. Ce point est, mais ce n'est pas impératif, relié à un conducteur dit "de neutre". De même, dès qu'une charge triphasée est connectée en étoile, il apparaît un deuxième point Neutre noté N' . Dans les installations électriques, hors réseau de distribution où l'ajout d'un conducteur supplémentaire serait désastreux, le neutre peut, ou pas, être relié. C'est-à-dire qu'il est possible de faire coïncider N et N'. 1 2 3

N

Z1

N'

Z2 Z3

Neutre relié ou pas

Dès lors qu'on utilise un système triphasé couplé en triangle, il n'existe plus de neutre. Pourtant il est possible de faire apparaître un neutre dit "fictif" (tout simplement parce qu'il n'existe pas) du fait qu'un réseau triphasé triangle (de tension entre phase U ) est équivalent à un réseau triphasé étoile (de tension simple U/  3) 3

I 31

U

1



2

I 23

1

N fictif

U/  3 = 3

V

2

I 12

NB : Le neutre fictif est en général un artifice de calcul permettant de se ramener à un montage étoile à neutre relié. On peut également faire la même chose sur une charge couplée en triangle…

IV - 6) Système équilibré, schéma équivalent monophasé On dit qu'une charge est équilibrée si les trois impédances qu'elle présente sont égales. On dit alors d'un système triphasé qu'il est équilibré s'il est chargé par une charge équilibrée. 1 Z1

2 3

N

Z2

N'

Il y a équilibre si Z1 =Z2 =Z3

Z3

Inversement il y a déséquilibre si une des impédances est différente des autres. En cas d’équilibre, et même si le neutre est relié, on peut écrire que I 1+I 2+I 3 =0 Il est important de noter que le potentiel au point N’ est strictement le même qu’au point N , du coup, lorsqu’un système est équilibré, il est indifférent de relier le neutre. Quand il y a équilibre, chaque phase produit exactement la même puissance que les autres et présente des caractéristiques électriques absolument identiques aux autres. Il est alors possible, pour alléger les calculs et la notation, de raisonner sur une seule phase. On parle alors de schéma équivalent monophasé. V

1 N

2 3

Z Z Z

N'

Z

 3x N

NB : dans le schéma équivalent monophasé, il ne faut pas oublier qu'il faut multiplier la puissance par 3 pour aboutir à la puissance totale du système triphasé, c'est une erreur classique.


23

Le schéma équivalent monophasé fait apparaître le neutre de l'installation, ce qui ne pose aucun problème dans le cas d'un montage en étoile. Dans celui d'un montage en triangle, il faut faire apparaître le neutre fictif de l'installation, et ainsi raisonner en tensions simples équivalentes. 3

U/  3

U

1 I 23

Z

I 31 2

Z

Z

 3x

I 12

N Z

De même si la charge est câblée en triangle, il faut faire apparaître la charge étoile équivalente.

IV - 7) Système déséquilibré et importance du neutre Un système triphasé est dit déséquilibré dès lors qu’il débite du courant sur une charge non équilibrée. En bref, il y a déséquilibre si Z1 Z2 ou Z1 Z3 ou Z2 Z3 En cas de déséquilibre le fait que le neutre soit ou pas relié devient primordial. En effet, comparons un système triphasé déséquilibré à neutre relié et à neutre non relié, comme c’est le cas sur les figures ci-dessous. Les relations de maille des phases se refermant par le neutre donnent : Ik = V Zk / Z k et V Zk = V k (k = 1,2 ou 3) On aura I n = I 1+I 2+I 3  0 il y a déséquilibre en courant. Les relations de mailles ne se referment plus par le neutre, et il n’y a plus égalité des tensions simples sur les charges : V Zk  V k avec V 1 V 2 V3 Par ailleurs, I n = I 1+I 2+I 3 = 0 mais avec I 1 I 2 I 3 Il y a donc déséquilibre en courant et tension.

V 1 1 2 3

N

V Z1 I 1

Z1

N'= N

Z2 Z3

Neutre relié

V 1 1

I 1

2 3

N

I N

Z1

N'

Z2 Z3

Neutre non relié I N = 0

En guise d’exemple, et ce afin de réaliser l’importance de la présence du neutre dans les systèmes déséquilibrés, la figure ci-dessous représente les tensions et courants présents dans un système déséquilibré neutre non relié : V 1

NB : Sur ces schémas le déséquilibre des courants et des tensions saute aux yeux puisque, au niveau de la charge, les tensions (V Z 1, V Z 2, etc) sont toutes d’amplitude différentes et même déphasées d’angles différents de 2  /3.

Vz 1 N’

N V 3

Vz 3

I 1

Vz 2

N’ I 3

I 2

V 2

Par ailleurs, la présence du neutre est impérative dans les réseaux de distribution qui fournissent des lignes monophasées. Pour résumer, le neutre n’est pas relié sur les réseaux de distributions Haute Tension grandes distances où la présence du conducteur est prohibitive, par contre il est présent dans tous les réseaux de distribution basse tension (feeders) pour garantir l’équilibre des tensions et représenter la référence des lignes monophasées.


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IV – 8 ) Puissances en Triphasé Dans un système triphasé, le théorème de Boucherot apporte que la puissance active totale fournie (ou consommée) est égale à la somme des puissances actives présentes sur chaque phase. Idem pour la puissance réactive. Cas d’un système équilibré : Dans le cas d’un système équilibré, les puissances actives et réactives sont les mêmes sur chaque phase, il suffit donc de raisonner sur le schéma équivalent monophasé et de multiplier la puissance par phase par 3. I 3

V 3

V 3

Z

J

Z N

N

V 2 V 1

Z

Z

V 2

Z

V 1 U 13


Z

Charge câblée en triangle

P =3.V.I.cos

P =3.U.J .cos = 3.V.I.cos S =3.V.I Q =3.V.I.sin

Cas d’un système déséquilibré : Il n’est plus possible de raisonner sur le schéma équivalent monophasé. Il faut traiter indépendamment chaque phase et faire la somme des puissances actives et réactives. V 3

V 3

I 3

Z 13

J

Z 2 N

N

V 2

V 1

Z 1

Z 3

V 2


P =V1.I 1.cos 1 +V2.I 2.cos 2+V3.I 3.cos Q =V1.I 1.sin 1 +V2.I 2.sin 2+V3.I 3.sin

Z 23

V 1

U 13

Z 12

Charge câblée en triangle 3 3

P =U1.J 1.cos Q =U1.J 1.sin

1 +U2.J 2.cos 2+U3.J 3.cos 3 1 +U2.J 2.sin 2+U3.J 3.sin 3

S =P/ (P²+Q²) Attention : S  V 1.I 1 + V 2.I 2+ V 3.I 3 En revanche, il est toujours vrai que : S  V 1.I 1* + V 2.I 2*+ V 3.I 3*


25

IV - 9) Exemples Exemple 1 : équilibre On s’intéresse au système triphasé suivant dans lequel on cherche à calculer les courants de lignes, la puissance totale absorbée ainsi que le facteur de puissance. V 1 1 2 3

V Z1

I 1 On donne V=230V et f=50Hz. Z N Z On donne Z = R + j.L  Z On demande l’expression littérale du courant de ligne, de la puissance active Neutre non relié I N consommée, de la puissance réactive consommée, de la puissance apparente et du facte ur de puissance.

N'

Système équilibré puisque même Z sur chaque phase: V V 1 = Z 1.I 1  I 1 = V/Z 1  I 1 = I  R²( L )² P = 3.V.I.cos = 3.R.I² (c’est plus facile à exprimer comme ça) V ² P 3. R. R²( L )² Q =  V.I.sin = 3. L.  .I² (c’est plus pratique à calculer comme ça) V ² Q3. L . R²( L )² S =  ( P² + Q² ) = 3.V.I V ² R Et pour finir : Cos = P/S = S 3 R²( L )² R²( L )² Exemple 2 : Déséquilibre On s’intéresse au système triphasé suivant dans lequel on cherche à calculer les courants de lignes, la puissance totale absorbée ainsi que le facteur de puissance. De façon classique V=230V et f=50Hz. On donne Z 1 = 10 + j.10 = R1 + j.L1 de même : Z 2 = 10 + j.20 Z 3 = 20 + j.10

N

V 1 1 2 3

V Z1 I 1

Z1 Z2

N'= N

Z3

Neutre relié

I N

Système déséquilibré : on traite indépendamment chaque phase : V 1 = Z 1.I 1  I 1 = V/Z 1 = V/  (10²+10²) = 16.26A V 2 = Z 2.I 2  I 2 = V/Z 2 = V/  (10²+20²) = 10.28A V 3 = Z 3.I 3  I 3 = V/ Z3 = V/  (20²+10²) = 10.28A P =  V.I.cos = R1.I 1² + R2.I 2² + R2.I 2² (c’est plus pratique à calculer comme ça) = 5814.2W Comme le système est déséquilibré, on ne peut pas écrire S =  V.I, il faut alors calculer la puissance réactive consommée : Q =  V.I.sin = L1. .I 1² + L2. .I 2² + L3. .I 2² (c’est plus pratique à calculer comme ça) = 5814.2VAR (ici on trouve la même valeur que pour P étant donné la symétrie des valeurs des impédances) S =  ( P² + Q² ) = 8222.2 VA Version Web fournie par le professeur – Interdiction de reprographier

26

IV - 10) Mesures de puissances en triphasés Méthode générale dite "méthode des trois Wattmètres" Comme on dispose de trois phases qui peuvent consommer chacune sa puissance propre, il est nécessaire de disposer de 3 wattmètres pour mesurer la puissance totale. 1

P = W 1 + W 2 + W 3

W 1

2

Charge Triphasée Quelconque

W 2

3

W 3

N

Inconvénients : Necessité du neutre et de 3 wattmètres Avantage : fonctionne quelle que soit le charge "Méthode des deux Wattmètres" On dispose les 3 wattmètres, comme le représente le schéma ci dessous : 1

P = W 1 + W 2 Q =  3(W 1 - W 2 )

2

W 1 W 2

Charge Triphasée Quelconque

3

Démonstration : W 1 + W 2 = <(v1-v3 )(t).i1(t) + (v2-v3 )(t).i2(t)> = Si le système est équilibré ou déséquilibré sans neutre, I1+I2+I3 = 0, alors W 1 + W 2 = <(v1.i1 + v2.i2+ v3.i3 )(t)> = P totale De plus, on montre que : W 1=<(v1-v3 ).i1(t)> =  3.V.I.cos( -  /6) W 2=<(v2-v3 ).i1(t)>= 3.VI.cos( + d'où W 1 - W 2 = -2. 3.V.I.sin .sin(- /6) = Qtotale/ 3  /6)

Conditions de validité : P = W 1 + W 2 n'est vrai que si le système est équilibré ou déséquilibré sans neutre. Q =  3(W 1 - W 2 ) n'est vrai que si le système est équilibré.

Inconvénients : conditions de validité à ne pas oublier Avantage : ne nécessite que 2 wattmètres ou un seul wattmètre avec un commutateur


27

V ) Transformateurs V - 1) Introduction Sur les réseaux électriques, les tensions produites par les alternateurs, les tensions de distribution grandes distances et les tensions d’utilisations ne sont pas les mêmes. La gamme des tensions disponibles sur le réseau s’ét ale, dans le monde, entre 12V et 750kV ! Par ailleurs, étant donné que les lignes de distribution grandes distances sont des lignes sans neutre, il est nécessaire de recréer le neutre au plus près des zones de consommation pour pouvoir disposer de lignes monophasées. Il est alors nécessaire d’utiliser un outil à très bon rendement, à bon marché et permettant la transformation des amplitudes des tensions ainsi que la création d’un neutre local. Cet outil est le transformateur. Notions de magnétisme : Lorsqu’un bobinage de fil conducteur est parcouru par un courant électrique, il produit en son sein un champ magnétique dont les lignes iso valeurs, dites lignes de champ, se referment par l’extérieur. I

I

Noyau magnétique

Dans l’air, ce champ magnétique produit une induction B de très faible valeur. En revanche, si le bobinage entoure un noyau de matériau dit "magnétique" (fer, ferrite, etc) les lignes de champ se "canalisent" dans le fer et l’induction produite atteint des valeurs importantes. Ceci est du à la forte "perméabilité magnétique" du fer qu'on note  = 0. r avec  o = 4 .10-7 H.m-1 la perméabilité du vide. Si on considère le " circuit magnétique " fermé représenté en coupe ci-dessous, un certain nombre d'hypothèses permettent de simplifier les relations qui relient les grandeurs. I V

N spires

On montre que : N . I  L .  S



Circuit magnétique : Longueur L (m) Sections S (m²) Perméabilité magnétique



 étant le flux du champ magnétique (en Wb)

Dans le cas d'un régime de tension variable, on montre également que v(t ) N . (On écrit parfois v(t ) N .

d  , ça dépend des conventions de signe.) dt


d  dt

28

V - 2) Transformateur monophasé idéal Un transformateur monophasé est constitué de deux bobinages présents sur le même circuit magnétique. On représente ci-dessous le schéma de principe. I 1 N 1

V 1



I 2 N 2

V 2

L'utilisation des formules introduites précédemment permet d'écrire : v1(t)= N 1.d  /dt et v2(t)= N 2.d  /dt d 'où la relation : v2(t) / v1(t) = N 2 /N 1=m Ainsi que : N 1.i1(t) – N 2.i2(t) = (L/ S ). (t) Quand I 2 est assez important, le terme (L/ S ). devient négligeable, on écrit alors : En charge : i2(t)/i1(t) = N 1 /N 2=m-1 NB : les bobinages présents sur un transformateur ont un sens, en conséquence il est possible de V 2(t) = m.V 1(t) ou que V 2(t) = - m.V 1(t). Pour lever le doute sur cette incertitude, et afin de noter les tensions avec une convention cohérente, le sens des bobinages doit être indiqué sur le symbole correspondant à un transformateur .

Symbolisation et conventions : I 1 V 1

n1

Bobinage Primaire Convention récepteur

Dans les deux cas :

I 2 n2

I 1 V 2

Bobinage Secondaire Convention générateur

V 2 n2  m V 1 n1

m V 2

V 1

I 2

Bobinage Primaire Convention récepteur

et en charge

Bobinage Secondaire Convention générateur

I 2 n1 1   I 1 n2 m

NB : On représente ci dessus deux manières de symboliser les transformateurs monophasés, avec deux cas de sens de tension de sortie. Le respect de la "convention du point" ne laisse aucune ambiguïté sur les sens des tensions et des courants théoriques à utiliser.

Puissance : La puissance apparente complexe à l'entrée du transformateur vaut S 1 = V 1.I 1* A la sortie du transformateur, elle vaut S 2 = V 2.I 2* = m.V 1.(1/m).I 1* = V 1.I 1* = S 1 D'où : P 1 = P 2 et Q1 = Q2 Conclusion : Le transformateur idéal est absolument passif et sans pertes. Quand il élève la tension, il abaisse le courant (ou inversement) et ne modifie pas la puissance qui transite.


29

V - 3) Transformateur monophasé réel Dès lors qu'on parle de transformateur réel, c'est qu'on tient compte des pertes qu'il apporte ainsi que de son facteur de puissance. il est alors possible de considérer dans son schéma équivalent des éléments résistifs et réactifs équivalents. Les différents défauts des transformateurs sont les suivants : Résistances séries des bobinages : R1 et R2 Inductances dites "de fuites" séries des bobinages : L1 et L2 Echauffement du circuit magnétique appelé "pertes fer" proportionnelles au carré de la tension d'entrée : équivalence avec une résistance R f en parallèle avec l'entrée. Inductance équivalente du transformateur à vide dite "inductance magnétisante" : Lm On représente donc, à partir d'un transformateur idéal, le schéma équivalent du transformateur réel : m I 1   



L1

V 1 R f

R1

m.V 1

Lm

R2

L2

V s

I 2

Z u : Charge

Ce schéma, assez complet est lourd à manipuler et absolument inutilisable pour caractériser rapidement un transformateur. En revanche, et à la lumière de la remarque qui suit, il est simplifiable. Remarque : Considérons l'impédance Z au secondaire d'un transformateur idéal dont le rapport de transformation est : m.

I 1

m

Z On peut écrire :

V 1

V 2

m.V 1

V 2 = mV 1 – Z.I 2 = m(V 1 – Z/m.I 2 ) et : I 2 = I 1 /m

I 2 Z/m²

m

I 1

On écrit donc :

V 2 = m(V 1 - (Z/m²).I 1 )

V 2

V 1

Ce qui est équivalent au schéma ci contre.

I 2

On montre, plus généralement, qu' une impédance Z au secondaire d'un transformateur idéal est équivalente à une impédance Z/m² au primaire de ce transformateur.

En simplifiant le schéma équivalent du transformateur réel, on obtient le schéma dit "schéma équivalent au secondaire" représenté ci dessous : m I 1

V 1 R f Où on montre que :

Lm

m.V 1

R

L

V 2

I 2 R = R2 + m².R1

Z u : Charge

L = L2 + m².L1


30

Détermination des éléments équivalents : On détermine habituellement ces éléments au cours de deux "essais" appelée "essai à vide" et "essai en cours circuit". - Essai à vide : Le transformateur n'est connecté à aucune charge et alimenté par le primaire. On mesure P 1 et S 1=V 1.I 1 sachant que P 1 = V²/R f et Q1 = V²/(Lm. ) On calcule alors directement : R f = V²/P 1 et Lm = V²/( .  (S 1²-P 1²)) -

Essai en court circuit : Le transformateur est court-circuité au secondaire et alimenté au primaire sous tension réduite (ce qui permet de négliger R f et Lm). On mesure P 1 et S 1=V 1.I 1 sachant que P 1 = R.I 2² = R.I 1²/m² et Q1 = Lm .I 1²/m² On calcule alors directement : R = m².P 1 /I 1² et Lm = (S 1²-P 1²).m²/  I 1²

Représentation des tensions et courants dans le plan complexe : Afin de mener à bien des calculs sur le schéma équivalent du transformateur réel, il est habituel de représenter ses tensions et courants dans le plan complexe. On aboutit classiquement à la représentation ci-dessous, ici pour une charge inductive : Im

m.V 1 V 1 I 1



jL .I 2 V 2



I 2 L'angle  est le déphasage entre I 2 et V 2

,

Re

R.I 2

L'angle  est le déphasage entre I 1 et V 1

Remarques : Il est à noter d'après ce schéma qu'il existe en général, et à cause des imperfections, un déphasage entre V 2 et V 1. Plus important : il existe une chute de tension entre V 2 et m.V 1 (la tension à vide). On exprime cette tension, en valeur efficace, comme étant : V2 = mV1 – V2 après calcul théorique et une légère approximation comme quoi  est faible, on retiendra : V 2 = mV 1 – V 2  R.I 2.cos + L. .I 2.sin Ce qui donne, habituellement, la famille de courbes suivante 3 :

V 2 / V 20 4%

cos = 0.8

cos = 1 cos = 0.9 cos = 0.8

-4%

 AV (déphasage avant)

cos = 0.9

I 2

 AR (déphasage arrière)

cos = 0.6 I n courant nominal secondaire

Par ailleurs, le déphasage  entre I 1 et V 1 donne la valeur du facteur de puissance cos du transformateur, vu au primaire bien sûr. Pour finir, le rendement du transformateur s'exprime facilement en fonction des données à courant I 2 constant : P u Ru. I 2² V 2² / Ru     P u  P ertes Ru. I 2² R. I 2²V ² / R f V 2² / Ru  R. I 2²V ² / R f 3

Source : Electrotechnique industrielle Seguier, Notelet


31

V - 4) Exemple On considère un transformateur monophasé 2200VA, 220V / 1165V équivalent est représenté ci dessous : m=5.5 rapport du transfo idéal I 1 V 1 R f

Lm

m.V 1

R

L

V 2

I 2

dont le schéma

Ru : Charge

On souhaite déterminer la valeur des éléments d'imperfection d'après deux essais : 1) essai à vide : V 1=220V P 1=90W I 1=0.8A On calcule R f et Lm d'après les formules R f = V²/P 1 = 537.7  Puis Q1= (S 1²-P 1²)=151.24 VAR et Lm = V²/( . Q1 ) = 1.01H 2) essai en c-c : V 1=8.5V P 1=80W I 1=10A On sait que m=5.5 On calcule R = m².P 1 /I 1² =24.2 On calcule Q1=28.7VAR et L= Q1.m²/  I 1²= 27mH On souhaite calculer la tension V 2 en pleine charge : La charge nominale correspond au fonctionnement nominal du transformateur. C'est dans ces conditions qu'on a S = 2200VA = V 1n.I 1n c'est à dire que le courant de pleine charge est I 1 = 10A. On calcule alors la chute de tension au secondaire avec la formule : V 2 = mV 1 – V 2  R.I 2.cos + L. .I 2.sin sachant qu'ici  =0 puisque la charge est une résistance et que I 2=I 1 /m on trouve : V 2=44V Ainsi, à vide le transformateur délivre 220x5.5 = 1210V et en pleine charge 1210-44 = 1166V, tension qui correspond bien aux 1160V de sortie indiqués dans les données globales. On souhaite chiffrer le rendement du transformateur : Pour calculer le rendement on écrit :  = P Ru /(P RU + P R + P Rf ) = 1166.I 2 /(1166.I 2 + 220²/R f + R.I 2²) = 0.92 Ce qui est excellent pour un transformateur.


32

V - 5) Transformateurs triphasés Afin de transformer l'amplitude des tensions d'un système triphasé, il faut théoriquement se servir de 3 transformateurs monophasés, dont les phases seront couplées, en fonction des contraintes, en étoile ou en triangle. En réalité, on se sert d'un seul circuit magnétique sur lequel sont bobinés les 6 bobinages. On appelle cela un transformateur triphasé. Il est de plus possible de coupler différemment le primaire et le secondaire pour, par exemple créer un neutre local ou apporter un déphasage entre certaines tensions. On représente ci dessous, en tant qu'exemple, le symbole d'un transformateur triphasé dont le primaire est câblé en étoile et le secondaire en triangle. On notera de façon conventionnelle les bobinages m primaires en majuscule (A,B et C) et secondaires en minuscules (a,b et c). V A A U ab a Les bobinages représentés côte à côte sont dits "en regard" et les tensions à leurs bornes sont proportionnelles de rapport na/nA. C'est à dire qu'ici Uab = (n a /n A ).V A

b

B

NB : attention, n a /n A n'est pas toujours égal à m

Le couplage est toujours indiqué par un symbole : Y ou y : couplage étoile primaire ou secondaire  ou d : couplage triangle primaire ou secondaire Z ou z : couplage Zig-Zag primaire ou secondaire

c

C

 

N



Rapport de transformation : On désigne par rapport de transformation, m, le rapport entre une tension simple au secondaire et la tension simple correspondante au primaire.  V A

V C

N

U ca

V a U ab

U bc

V B

Les tensions primaires et secondaires de l'exemple ci-dessus se représentent comme ci contre. On note deux caractéristiques importantes : m V a  U ab  1 . na V A 3.V A 3 n A Le déphasage entre V A et Va vaut  /6 = 2 /12 = 1h 



La relation qui relie V A et Va est donc :

 Va = 1 . na .V A.e j /6 3 n A

indice horaire m

Afin de caractériser un transformateur triphasé, on donnera toujours son couplage, son rapport de transformation et son indice horaire, c'est à dire le déphasage entre V A et V a. NB : l'indice horaire sera souvent exprimé en heures pour plus de commodité puisque ce sera toujours un multiple de  /6 = 1h.

Autre symbolisation: La symbolique ci dessous apparaît souvent pour unifier les symboles des transformateurs triphasés, le rectangle avec les bornes représente la plaque de connections du transformateur. na nA A a B b C c N

La symbolisation ci contre est suffisante, tout comme le schéma complet dont elle est le reflet, pour déterminer les caractéristiques de transformation du transformateur.


33

Nom conventionnel : Pour simplifier la représentation, on donne aux transformateurs triphasés un nom qui résume toutes les caractéristiques. Le transformateur utilisé comme exemple correspond à : Yd 1 Couplage du Couplage du secondaire primaire

Indice horaire en h

De la même manière on peut trouver : Yy, Yd, Yz, Dy, Dd, Dz, Zy, Zd, Zz , avec de plus les différents indices horaires possibles. On retiendra les cas les plus communs exposés dans le tableau ci dessous 4

: 4

Source : Electrotechnique industrielle Seguier,Notelet


34

VI ) Les harmoniques Dans le deuxième exemple de calcul de puissances 5, on voit qu’un courant carré, même en phase avec la tension implique l’existence d’une puissance réactive. En réalité, dans ce cas, on l’appelle puissance déformante. Il n’en apparaît que quand le courant ou la tension ou les deux ne sont pas sinusoïdaux, d’où l’intérêt de distribuer l’électricité sous forme alternative sinusoïdale.

VI – 1 ) Bases mathématiques La base mathématique de l’existence des harmoniques provient de la décomposition des signaux périodiques en série de Fourier. Ceci revient à dire que : « tout signal s, périodique de période T=1/f, peut se décomposer en une somme infinie de termes sinus et cosinus de fréquences multiples de f . Mathématiquement, cela s’écrit :

s(t )ao 



a .cos(n t )b .sin(n t ) n

n

n 1

La valeur ao représente la valeur moyenne de f(t). On calcule les coefficients an et bn avec les formules suivantes : an  2 s(t ).cos(n t )dt et bn  2 s(t ).sin(n t )dt T T T T





De plus, il existe quelques pré-requis qui permettent de ne pas faire de calculs inutiles : - si la fonction est paire, les coefficients bn sont nuls - si la fonction est impaire, les coefficients an sont nuls - si la fonction possède une symétrie sur ses deux demi- périodes, les termes d’indice pairs sont nuls.

VI – 2 ) Application aux signaux électriques En électronique, les signaux alternatifs sont périodiques, et donc particulièrement adaptés au développement en série de Fourier. Nous allons montrer sur un exemple assez classique, un signal carré, à quoi correspondent physiquement les harmoniques et quelles sont les méthodes de représentation et de travail en électrotechnique. s(t) Considérons un signal s(t) carré de période T. E 0 T - La valeur moyenne de s est nulle t Donc : ao= = 0 - s est impaire, donc les coefficients an sont nuls - s possède une symétrie par rapport à T/2, donc les bn d’indice n pairs sont nuls. Il reste à calculer : b2k 1  2 s(t ).sin((2k 1) t )dt T T



T / 2



 4 E .sin((2k 1) t )dt  4. E T (2k 1) 0

5

voir chap III-7


35

Ainsi, on peut dire que : s(t) = 4E/  . sin( t ) s(t) E

+

4E/3 . sin(3 t) + 4E/5  . sin(5  t) + …..

s(t) 4.E/π

0

=

T

t

Les signaux sont appelés :

0

4.E/3π T

+

0

Fondamental

4.E/5π T

+

0

T + ….

Harmoniques

Une représentation agréable de cette somme infinie consiste à représenter les amplitudes de composantes sinusoïdales en fonction des fréquences, on appelle ça le spectre de s. Pour le signal carré cela donne : Amplitude des composantes harmoniques 4.E/ 

4.E/3 4.E/5 f

3f 5f 7f 9f …..

fréquence

En somme, un carré, tout comme tout autre signal périodique est la som me d’un fondamental à la même fréquence et de sinusoïdes de fréquences multiples. Voilà pourquoi les outils d’études des signaux sinusoïdaux permettent l’étude de tous les signaux périodiques. Pour étudier un circuit sous des tensions ou des courants non s inusoïdaux, il suffit d’étudier l’influence du circuit sur chaque harmonique. Pour ce faire, on représente souvent l’effet d’un circuit en fonction de la fréquence du signal (diagramme de Bode), ainsi on visualise directement l’influence du circuit sur le spectre des tensions et courants.

VI – 3 ) Puissance déformante et formule générale des puissances En électrotechnique, plus un signal comporte d'harmoniques, moins il est considéré comme "pur" c'est à dire sinusoïdal. Dans le domaine de l'énergie électrique, on a tendance à filtrer les tensions et les courants afin d'en minimiser le contenu harmonique. En effet celui ci ne participe pas à la conversion d'énergie et crée des problèmes de facteur de puissance. Sur l’exemple d’une tension sinusoïdale et d’un u(t) Umax courant carré, il faut considérer que la puissance Io i(t) active est celle due à la tension et au fondamental du courant, qui sont en phase : 0 t Io U Io 4 2 . max . 1 1 .U max. . .cos(  ) P = 2

2

 .



La puissance apparente est égale au produit des valeurs efficaces : S = 1 .U max. I o . 2

Les fondamentaux étant en phase, la puissance réactive est nulle, pourtant il reste une puissance : D = S²  P²  Io.U.(1 8 ) : c'est la puissance déformante, c'est à dire celle due  ² au contenu harmonique d'une ou des deux grandeurs. S² =P² +Q² +D² Cela vérifie la formule générale des puissances électriques :


36

VI – 4 ) Sources d'harmoniques et propagation Les sources principales d'harmoniques sont : Sources de tensions non sinusoïdales : alternateurs, machines t ournantes, etc… Sources de courants non sinusoïdaux : récepteurs non linéaires, systèmes à courants "hachés", gradateurs, tous les convertisseurs de l'électronique de puissance…  

Sur les réseaux électriques, il est nécessaire de minimiser globalement la présence d'harmoniques, malheureusement chaque appareil générateur d'harmoniques appelle des courants qui se répartissent sur tout le réseau suivant le principe représenté ci dessous : On considère sur ce schéma un "nœud" de réseau (en lignes triphasées), où un embranchement débite sur une charge linéaire et l'autre sur une charge non linéaire. Le courant avant le nœud est la somme des deux courants et est, par conséquent, non sinusoïdal. De plus, à cause des impédances de ligne, symbolisées par Z, la tension au niveau de la charge souffre d'une chute de tension non linéaire et présente par conséquent un contenu harmonique. i p + in Déformation du courant "aval" ! récepteur linéaire "propre"

in Z

Ve

i p + in récepteur non linéaire "pollueur"

Vc i p

N

Vc(t) Comme : Vc=Ve - Z.(Ip+In)

Déformation de la tension réseau!

alors :

Cet exemple démontre le fait que les harmoniques se propagent sur les réseaux de distribution.

VI – 5 ) Exemple de système polluant Un système extrêmement répandu générateur d'harmoniques sur les réseaux est le gradateur dont on représente le circuit et l'allure du courant appelé ci dessous: Tension e(t) 1 i(t) e(t)

2 S(t)

déclenchement des thyristors

Le courant appelé est non sinusoïdal, son contenu harmonique sera présent sur toute la ligne de distribution aval.

t

i(t)


37

VII ) Les régimes transitoires VII – 1 ) Régime permanent et régime transitoire Jusqu'à présent dans ce cours, toutes les formules ont été établies en régime permanent, c'est à dire lorsque les amplitudes des tensions et des courants ont atteint leurs valeurs de fonctionnement normal. Lors des démarrages et des changements brutaux du circuit, il y a des phases de transitions qu'on appelle régimes transitoires (R.T.). Pour imager cela, on dispose ci dessous de l'évolution de la tension lors de l'allumage d'un générateur basse fréquence.

R.T

R.P

On distingue bien le démarrage, assez perturbé, qui correspond à un régime transitoire ( R.T ) assez complexe et le régime permanent ( R.P ). Parfois, l'étude du R.T est nécessaire pour savoir si les tensions et les courants ne présentent pas des évolutions trop fortes, trop rapides ou trop lentes, voilà pourquoi il est nécessaire de savoir les calculer, au moins dans les cas assez simples.

VII – 2 ) Calcul des régimes transitoires du premier ordre Le régime transitoire dépend directement du circuit étudié. Pour l'étudier, il faut résoudre l'équation différentielle associée à la variable concernée. Considérons l'exemple de circuit suivant auquel on applique une tension Ve de type échelon, ce qui correspond à une mise sous tension brutale. L Ve E 0

Ve

R

Vs

t

i Quelle sera alors l'évolution de i(t) ? Il suffit d'écrire l'équation différentielle : Ve(t) = L.di/dt + R.i Pour t 0 , E = L.di/dt + R.i est l'équation différentielle du premier ordre à coefficients constants qu'il faut résoudre, pour cela la méthode est toujours la même : 1 : Résolution de l'équation sans second membre: di di R R   .i  i(t )  K . exp(  .t ) avec K=cte L.  R.i  0  dt dt L L 2 : Trouver une solution particulière ou Méthode de variation de la constant e (voir cours de maths) : En électricité la solution particulière est toujours le régime permanent ici la solution particulière est : i = E/R est une solution particulière de l'équation complète R E i(t) la solution générale s'écrit alors : i (t )  K . exp(  .t )  L R E/R E R 3 : conditions initiales : à t=0, i=0 d'où K=-E/R et i(t )  (1  exp(  .t )) R L


38

VII – 3 ) Etude des régimes transitoires du second ordre Quand le circuit est plus compliqué, on tombe souvent sur des équation différentielles du second ordre, c'est à dire du type : a.d²v/dt² + b.dv/dt + c = e(t) La méthode de résolution est la même que précédemment, à la différence que les calculs sont plus étoffés. En traitement du signal électrique on dispose d'une méthodologie propre à l'étude des second ordre, regardons cela sur un exemple : i Soit le circuit suivant : R e

L

C

L'équation différentielle reliant i à e est à priori assez compliquée, on préfère écrire directement la relation en notation complexe :

I 

E R  L // C

avec L//C=

j. L. 1  L.C .( j )²

1  L.C .( j )² L 1  j.   L.C ( j. )² R Ensuite, on met le dénominateur sous une forme normalisée : donc : I 

1 (1  L.C .( j )²)  E . . R.(1  L.C .( j )²)  j. L. R

E

1 j.2m.  (  )²

 o  o

ici, en identifiant le dénominateur à la forme normalisée, on trouve : 1 1 o = qu'on appelle la pulsation de résonance (et f o= ) LC 2 . LC et

m=

1

L

qu'on appelle l'amortissement (01 correspond à des réactions amorties et lentes, inversement m<1 correspond à des réactions oscillantes avec des dépassements de la valeur finale. en fait, grâce aux valeurs de m et  o, on dispose des abaques et de formes d'ondes types des régimes transitoires ci dessous :

m = 0.005 m = 0.1

m = 0.05 m=3 m=2 m=1

m = 0.025

Pour plus d'informations, voir le cours d'Automatique et traitement du signal


39

VII – 4 ) Régimes transitoires avec tensions sinusoïdales Pour prédéterminer les régimes transitoires sous tension sinusoïdale, il suffit de savoir résoudre une équation différentielle du type : a. d ²v b dv c E .sin( t  ) dt dt La méthode de résolution est la même : Solution générale = Solution de l'équation sans second membre + solution particulière La solution sans second membre est la même que précédemment. La solution particulière est toujours le régime permanent, cette fois sinusoïdal. Ainsi, sur l'exemple suivant : L

Ve E

R

Ve

Vs

t

0

i La solution sera : i(t ) K .exp( R .t ) Ieff . 2.sin( t  ) L Où Ieff 

Ve R²( L )²

et

  Arctan( L ) R

(obtenus par résolution en alternatif sinusoïdal

comme c'est le cas dans l'exemple 1 du paragraphe II-5 ) Pour trouver K , il suffit d'écrire que i(0) = 0, on trouve alors la solution générale :

i(t ) Ieff . 2(sin( ).exp( R .t )sin( t  )) L Le graphe ci-dessous représente une simulation de ce régime transitoire.

I(t)


40

VIII ) Le Réseau Electrique VIII – 1) Organisation globale Les réseaux de production d'énergie électrique sont organisés grossièrement suivant le schéma ci dessous :

PRODUCTION

TRANSPORT / DISTRIBUTION

CONSOMMATION



La production consiste à utiliser des énergies diverses de manière à faire tourner des alternateurs qui produisent des tensions et des courants électriques triphasés. On distingue ainsi des centrales de production : thermiques, nucléaires, hydrauliques, éoliennes, photovoltaïques, géothermiques, etc. Les avantages et inconvénients de chaque type proviennent principalement de la facilité d'exploitation et d'entretien des ressources, de leur "renouvabilité" et surtout du rendement de la transformation d'énergie.



La distribution consiste à acheminer la tension produite par des lignes ou des câbles jusque chez les consommateurs tout en réalisant le moins de pertes possibles. Considérons une ligne de distribution d'énergie électrique qu'on modélise par unE résistance R censée dissiper une certaine puissance perdue Pr.  P ²  Pr = R.I² = R.    U ²  I Production

U

R

Consommation

P=cte La puissance perdue lors de la distribution, Pr , est d'autant plus petite que la tension U est grande, voilà pourquoi on achemine l'énergie électrique à Haute Tension ( HT de 10kV à 100kV ) et Très Haute Tension (THT > 100kV ). Le transport de l'énergie électrique se fait donc graduellement à des tensions d'autant plus grandes que la ligne est longue et qu'elle véhicule une grande puissance. L'outil permettant d'élever et de rabaisser la tension est naturellement le transformate ur triphasé. 

La consommation représente l'ensemble des utilisateurs de l'énergie électrique. Cet ensemble est très diversifié et se répartit sur des échelles de Tensions de 230V à 20kV et des courants de quelques mA à quelques kA (1000 Ampères).


41

VIII – 2) Nature de la tension, comparaison continu / alternatif Les tensions et les courants présents sur le réseau sont sinusoïdaux à une fréquence fixe de 50Hz (60Hz aux USA, au Canada, etc). Pourquoi la tension sinusoïdale s'est elle généralisée sur les réseaux électriques ? Les tensions sinusoïdales sont présentes à 99% sur les réseaux électriques, au dépend des tensions continues. Pour connaître les raisons de ce choix, on dresse deux tableaux d'avantages et d'inconvénients relatifs aux régimes alternatif sinus et continu. Courant Alternatif : t

T=1 /f

Avantages

Inconvénients

 Permet l’utilisation de transformateurs pour élever et abaisser la tension.

 Difficulté d’interconnexion de plusieurs réseaux (il faut avoir même tension, même fréquence et même phase).

 Facilite la coupure des courants par le passage naturel par zéro 2 fois par période c’est à dire 100 fois par seconde.  Production directe par alternateurs.

 Implique des effets inductifs et capacitifs tout au long du réseau, d’où l’existence de puissance réactive pénalisante pour le producteur.  Implique un effet de peau, c’est à dire la concentration du courant dans la périphérie des câbles, d’où la nécessité de câbles et lignes adaptés et donc plus chers.

Courant Continu : t

Avantages

Inconvénients

 Pas d’effet réactifs, dons pas de puissance réactive pénalisante pour la production.

 Difficulté de couper les courants continus, d’où des dispositifs de coupure plus performants et plus chers.

 Facilite l’interconnexion de des réseaux, il suffit d’avoir partout le même tension.



 Pas d’effet de peau, les câbles et les lignes sont plus simples et moins chers.

 Impossibilité de produire ou d’élever la tension dans les très hautes tensions d’où des perte s importantes sur les lignes.

Terminaisons très coûteuses .


42

Les décisions industrielles, et à plus forte raison celles qui concernent les infrastructures nationales, se font essentiellement par rapport aux contraintes de coût. Il est alors nécessaire de tenir compte du graphe ci dessous qui représente qualitativement le coût au kilomètre des installations en courant alternatif et continu en fonction de la longueur de l'installation ( dans le cas d’un transport par lignes aériennes et non par câbles). Coût au km de l’installation

Continu

Alternatif

500 à 800 km

Longueur de l’install ation

En dessous de 500 à 800 km, il est plus avantageux de choisir une tension alternative qui, de plus permet l’utilisation généralisée de transformateurs et donc de valeurs de tension adaptées à chaque tronçon de l’installation. Voilà pourquoi la tension du réseau est alternative. En revanche, dans le cas d’un transport par câbles (éventuellement souterrains) la distance critique est d’environ 30km, voilà pourquoi, par exemple, la liaison France-Angleterre est faite en courant continu, ce qui, de plus, facilite l’interconnexion. Il faut donc bien comprendre que le choix d’une instal lation en continu ou en alternatif est à la fois économique, historique et dépend de l’échelle de l’installation.

VIII - 3) L’alternatif sinusoïdal et le triphasé Pourquoi la tension alternative est sinusoïdale et non pas carrée ou triangulaire ? En fait, les tensions non sinusoïdales sont composées, on l'a vu, d'harmoniques de fréquences multiples de la fréquence fondamentale. Ces harmoniques s’atténuent fortement le long des lignes à cause de "l’ef fet de peau". I I L'effet de peau est un phénomène physique concernant le lieu de circulation des courants dans les conducteurs. Ces derniers ont tendance à se répartir sur la périphérie des couronne de conduction conducteurs, qu'on peut appeler "couronne de conduction", f=50Hz f=5kHz et ce d'autant plus que la fréquence est élevée. La R=  L/S R=  L/S conséquence évidente est que plus la fréquence d'un faible I élevée I courant est élevée, plus la résistance du conducteur ( R=  L/S ) qui le véhicule est grande. V=R.I V=R.I Les composantes harmoniques des courants non chute de chute de sinusoïdaux s'atténuent fortement le long des lignes du fait tension tension des chutes de tension dues aux résistances équivalentes. élevée faible Si les centrales produisaient des tension non sinusoïdales, ne subsisterait que la sinusoïde fondamentale au bout de quelques dizaines de kilomètres de lignes…le contenu harmonique perdu représentant de la puissance fournie pour rien. Il faut rajouter à ça le fait que la plupart des alternateurs génèrent naturellement des tensions sinusoïdales. La tension du réseau est donc alternative sinusoïdale. La pureté de cette tension réside d'ailleurs dans la faiblesse de son contenu harmonique.


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Pourquoi le réseau est il triphasé et non pas monophasé ? La réponse s'appuie sur trois données majeures : La distribution en lignes triphasées sans neutre est économique en terme de poids de conducteur. On rappelle la comparaison sans équivoque d'une distribution monophasée et triphasée sur des lignes présentant une densité de courant  constante. 

 S = I/  = V/R Vol Cu = 2.L.S = 2.L.V/R 

Monophasé : I = V/R

R

V longueur L

V

3R 3R 3R

 S = I/  = V/3R  Vol Cu =3.L.S = L.V/R

Triphasé : I = V/3R

Vol CuTRI = (Vol Cu MONO )/2

longueur L



Les machines électriques qui produisent et utilisent ces tensions fonctionnent de façon optimale en régime triphasé.

Un alternateur est constitué d’un rotor aimanté qui tourne au sein d’un bobinage, on représente rotor et bobinage de façon e = -d  /dt schématique ci contre : La rotation du champ créé par le rotor représente une variation périodique du champ magnétique dans l'axe du bobinage. Si on note  le flux du champ magnétique dans l'axe du bobinage. La tension crée aux bornes du bobinage s'exprime : e = -d  /dt Si la rotation est uniforme et la répartition du champ sinusoïdale en fonction du temps, c'est à dire que  (t)= max.sin( t ) on obtient : e(t))= . max.cos( t ) =E max.cos( t ) La représentation des alternateurs et de leurs enroulements est facilitée par une vue en coupe représentée ci contre: Pour profiter de la périphérie des rotors, on N bobine généralement plusieurs bobinages S indépendants, le nombre optimal étant de trois, on les représente ci contre : 2 Les bobinages s'appellent alors les "phases", ils N sont déphasés géométriquement de 2/3. 1 La représentation des tensions v1, v2 et v3 S produites par chaque bobinage fait apparaître le 3 système de tensions triphasées, représentées ci 2 /3 dessous : v1

v2

v3 t

où:

v1 = V.sin( t ) v2 = V.sin( t -2 /3) v3 = V.sin( t +2 /3)


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La réciproque de ce phénomène est qu'en alimentant un ensemble de bobinages triphasés par un système de courants triphasés, on crée un champ magnétique tournant qui peut entraîner des rotors. On retiendra que les systèmes triphasés sont capables de produire des champs tournants.

La puissance instantanée que fournissent ou utilisent les systèmes triphasés est constante. Considérons le système triphasé ci contre : Le système de tensions triphasées s'écrit : v1 = V. 2.cos( t ) V 1 Z = r.ej I 1 v2 = V. 2.cos( t -2 /3) v3 = V. 2.cos( t +2 /3) Z Le système de courants triphasés s'écrit Z i1 = I. 2.cos( t - ) Z i2 =I. 2.cos( t -2 /3- ) i3 = I. 2.cos( t +2 /3- ) 

La puissance totale instantanée s'écrit : P(t) = v1.i1(t) + v2.i2(t) + v3.i3(t) = 2.V.I.(cos  t.cos( t - ) + cos( t -2 /3).cos( t -2 /3- ) + cos( t +2 /3).cos( t +2 /3- )) = V.I.(cos(2 t- ) + cos + cos(2  t-4 /3- ) + cos + cos(2 t+4 /3- ) + cos ) = 3V.I.cos  + V.I.( cos(2  t- ) + cos(2 t-4 /3- ) + cos(2 t+4 /3- )) = 3V.I.cos 

=0

La puissance instantanée fournie par le système équilibré est donc constante et égale à la puissance moyenne. Les systèmes triphasés équilibrés permettent donc, en particulier dans le domaine électromécanique où c'est très important, de fournir une puissance "sans à coup" ni "temps morts"aux charges qu'ils alimentent. C'est la cohabitation de ces caractéristiques qui font que le réseau est un système triphasé équilibré de tensions alternatives sinusoïdales.


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VIII – 4) Le réseau réel Le réseau électrique réel est constitué de diverses centrales de productions. Les tensions produites par les alternateurs sont élevées en HT (haute tension) puis en THT (très haute tension) pour être transportées sur de longues distances. Après cela, on rabaisse la tension dans la gamme des MT (moyennes tensions) de façon à alimenter directement des agglomérations ou des industries. Dans chaque quartier, on trouve des postes de transformation abaisseurs qui délivrent la tension domestique BT (basse tension : 230V) à un certain nombre de pôles de consommation. Il est à noter que les trois phases des lignes de distribution MT et BT ( Feeders) sont réparties sur l'ensemble des utilisateurs de façon à équilibrer au maximum le réseau. En effet, il est impératif d'imposer l'équilibre des courants pour éviter le déséquilibre des tensions inévitable lié à l'absence du neutre sur les lignes HT et THT. On représente le schéma synoptique d'un réseau complet sur le schéma suivant :

Plusieurs particularités sont à noter : -

Le réseau électrique doit accéder au plus près des lieux de consommation et doit former un ensemble maillé de telle manière qu'il y ait toujours plusieurs chemins possibles pour relier deux points.


46

La carte ci dessous6 fait apparaître le maillage du réseau de transport Très Haute Tension (250 – 400kV). Il est à noter que le réseau de distribution Basse Tension est tellement compact qu'il est impossible à visualiser à l'échelle nationale. On notera également la présence des lignes de connexion reliant la France aux pays voisins.

-

L'énergie électrique ne se stocke pas, il est donc impératif de fournir en permanence l'énergie consommée par l'ensemble des utilisateurs. Comment alors s'adapter "en direct" à l'appel de puissance au niveau d'un pays ?

-

Quand l'appel en puissance augmente, la tension du réseau varie en amplitude à cause des chutes de tension dues à l'impédance des lignes. Les chutes de tension du réseau ont elles des conséquences sur la stabilité du réseau ?

-

Pour vendre ou acheter de l'énergie électrique à un pays voisin, les deux réseaux doivent être interconnectés, quelles que soient leurs tensions, fréquence et phase. Comment est-il possible d'interconnecter deux réseaux indépendants ?

6

Source site du Réseau de Transport de l'électricité Français (RTE) : http://www.rte-france.com/index.jsp


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VIII – 5) Gestion de la production et différenciation des sources En France, la production d'électricité est répartie en différentes sources dont les temps de mise en fonctionnement sont très variables : - à 75 à 80 % : énergie nucléaire temps de réaction ~30mn - à 20% : énergie hydraulique temps de réaction ~ 0.5mn - à qqs % : énergie éolienne et autres temps de réaction ~ 0.5mn Le problème est que la demande de puissance instantanée du réseau évolue assez vite en fonction du moment de la journée et du rythme des habitants d'un pays. On représente ci contre l'évolution journalière de la consommation électrique nationale en hiver et en été. Les centrales nucléaires dont la production s'adapte avec des temps de réaction de l'ordre de l'heure sont programmées pour fournir un"sabot" d'énergie qui représente sensiblement la valeur moyenne de la consommation. La figure ci après représente la production des grosses installations lentes au fil d'une journée (valeur "moyenne") en comparaison avec la consommation réelle. La différence entre les deux (zone en couleur) est un problème puisqu'elle représente soit une puissance positive, c'està-dire un manque de production, soit une puissance négative c'est-à-dire un excès de production. La résolution de ce problème réside dans la "production de pointe", c'est-à-dire dans l'utilisation judicieuse des barrages hydrauliques.

70

Hiver

60

G ( 50 n o 40 i t a m m30 o s n o 20 C

Eté

10 0 0

5

10

15

20

Heures

Production de pointe (barrages)

Production de fond (nucléaire)

L'existence de ces barrages est particulièrement importante puisqu'ils sont réversibles en puissance. C'est à dire qu'ils peuvent soit produire du courant de par l'exploitation de la chute de l'eau, soit pomper de l'eau de la réserve basse vers la réserve haute et donc consommer du courant. La figure ci dessus représente donc la proportion de la puissance "de base" et de la puissance "de pointe" produites sur le réseau. L'équilibre constant entre puissance fournie et puissance consommée est vérifiable par la vitesse des alternateurs. En effet, si la consommation est trop importante, les alternateurs ralentissent et la fréquence du réseau chute. Les unités de production sont donc pilotées en temps réel de manière à ce que la fréquence reste scrupuleusement égale à 50Hz puisqu'elle est l'image de l'équilibre des puissances sur le réseau.


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Les ordres de mise en service et d'actions sur les centrales sont gérés par le "centre de dispatching national" qui fonctionne 24h/24 et 7j/7 de manière à réguler le réseau en direct. Dans ce centre, des observateurs de la fréquence indiquent aux différentes centrales de production les modifications d'allure à apporter pour garantir au mieux la bonne marche de l'ensemble.

VIII – 6) Modélisation de parties du réseau Considérons une partie du réseau électrique débitant sur une charge triphasée équilibrée constituée par l'impédance Z . On fait apparaître, sur le schéma ci-dessous, les résistances séries, les inductance propres séries Lp, les inductances mutuelles7 équivalentes M , et les capacités parasites qui relient les phases entre elles et au neutre. ces éléments représentant les défauts de lignes. V 1

Z = r.e j

L p

M

I 1

L p Z

L p Z C pp

R s

Z

C pN N

La relation de maille de la phase 1 s'écrit : V 1 = jM . I 2 + jM . I 3 + jLp I 1 + Z.I 1 or si le système est équilibré : I 1 + I 2 + I 3 = 0 L'équation de maille devient : V 1 = j(Lp-M) I 1 + Z.I 1 D'autre part, les capacités C pp associés en triangle entre les phases sont équivalentes à des capacités entre phase et neutre. Le schéma équivalent devient alors : V 1

I 1

R s

L p- M = Ls L p- M Z

L p- M

Z Z

C p N

Le schéma monophasé équivalent, plus pratique à utiliser, se réduit donc à : V 1

I 1 C p

R s

L s Z

N Ligne NB : La capacité parasite qui apparaît sur le schéma est très importante dans le cas d'un transport par câbles. Le transport par lignes aériennes fait apparaître des capacités parasites souvent négligeables, ce qui ramène l'imperfection à l'impédance de la ligne : Rs + jL 

7

dipôle qui développe une tension liée à un courant externe, par exemple: V m= M.di2(t)/dt


 V M = jM  I 2 49

VIII – 7) Ecroulement de la tension et interconnexion internationale Phénomène d'écroulement de la tension réseau Lorsqu'un réseau fournit de la puissance à sa charge, les impédances de ligne imposent des chutes de tension qui font habituellement chuter la valeur efficace disponible aux utilisateurs. On peut, en négligeant la résistance série des lignes et les capacités parasites, modéliser le réseau comme suit : V L s

I 1



Z

V r N

Z = R+jL = r.e j tan = Cte L = (R/  ).tan 

Ligne

Le but de cette modélisation est de représenter les effets de l'appel en puissance (ici la variation de R avec cos =cte (ici tan ) ) sur la tension réseau V r . Vr et I s'écrivent facilement : Vr = V.Z/(Z+jLs  ) et I=V/(Z+jLs ) d'où

Vr 

V . R²( L )² R²(( L Ls) )²

et I 

V R²(( L Ls))²

En faisant varier R, on obtient les différentes valeurs de Vr à représenter en fonction de P=R.I² . La figure ci dessous représente un ensemble de courbes issues de simulation de ce problème, et ce pour différentes valeurs de tan . tan = 0.6

tan = 0.4

tan =0.2

Pmax0.6 Pmax0.4

tan = 0

Pmax0.2

tan =-Ls  /R

Pmax0

Il apparaît, pour chaque valeur de tan, une puissance maximale que le réseau est incapable de fournir. Plus la charge et la ligne sont inductives, plus cette puissance est faible. Même pour cos =1 (tan =0), il existe à cause de l'impédance de la ligne une puissance maximale à ne pas atteindre. NB : Il existe une valeur de tan  , correspondant à une charge capacitive, où l'inductance série L s est compensée. Dans ce cas là, il n'apparaît plus de chute de tension ni de puissance maximale. Malheureusement, les charges sont globalement inductives ou à tan  >0.

La partie des courbes qui suit le passage à Pmax s'appelle l'écroulement du réseau, il constitue un "grand incident" sur le réseau qui habituellement "plonge un pays dans le noir" pendant de longues heures. Les années 1950 ont vu, en France, plusieurs jours de panne nationale. Plus récemment, des incidents similaires ont eu lieu aux USA et en Italie. Pour éviter ce phénomène, le seul moyen est d'adapter la puissance maximale potentielle du réseau à la demande, pour cela une seule solution : interconnecter deux (ou plus) réseaux pour faire chuter l'impédance de ligne équivalente.


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Interconnexion des réseaux Tous les producteurs d'électricité ont intérêt à se connecter à leurs voisins et ce aussi bien en régime de fonctionnement normal qu'en cas de défaillance de leur réseau de transport. Les pays Européens ayant depuis longtemps des réseaux d'électricité nationaux, le degré supérieur de l'interconnexion a consisté à relier chaque pays avec ses voisins directs. En fonctionnement normal, cela permet d'acheter ou de vendre de l'électricité d'un pays à l'autre. De plus, les rythmes des populations étant différents en fonction des cultures, la demande instantanée varie beaucoup au fil des heures pour un pays. En revanche, la consommation globale de plusieurs pays, comme une valeur moyenne, varie plus lentement. Il est alors possible de faire fonctionner les centrales de production de masse de façon plus intense et régulière, et donc plus rentable, et ce malgré les fluctuations de la demande. En cas d'avarie d'une partie du réseau ou en cas d'appel de puissance trop important et non prévu, il est nécessaire qu'un apport extérieur de puissance vienne "aider" le réseau en difficulté. Il est alors impératif que les échanges entre pays soient parfaitement réversibles. Le schéma ci-contre fait apparaître de façon détaillée la liste des connexions internationales reliant la France à ses voisins. Par ailleurs, les capacités d'échanges électriques des pays se chiffrent sur la base d'un indicateur : le taux d'interconnexion. Plus un pays est un carrefour de l'énergie électrique, plus son taux d'interconnexion est grand. C'est le cas de la suisse qui se trouve au centre de l'interconnexion OuestEuropéenne.

"Bloc Nordique"

Au niveau Européen, l'ensemble des pays de l'Europe de l'ouest, les pays nordiques et les pays de l'Est forment 3 blocs qui ont tendance à former un bloc géant d'interconnexion. On représente sur la carte ci-contre les grands ensembles de pays interconnectés Européens. Dans le cadre des directives Européennes sur la concurrence, l'interconnexion devient le vecteur principal de l'accès à la concurrence et de la diversification du marché.

"Bloc de l'Est"

"Bloc Ouest"


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L'Europe tend à former un seul et gigantesque réseau de transport de l'énergie électrique.


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L'électrotechnique Notion de base et réseau électrique.pdf

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