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MOOC « Smart Grids : les réseaux électriques au cœur de la transition énergétiq

MOOC « Smart Grids : les réseaux électriques au cœur de la transition énergétique » Complément d’explications associé à la séquence expérimentale intitulée « Puissance active, puissance réactive et effet sur la tension » Schéma du montage Le schéma électrique du montage que l’on peut voir dans la vidéo est le suivant. Figure 1 : schéma électrique du montage La partie la plus à gauche, « réseau amont », est le réseau électrique auquel l’installation est raccordée, par le biais d’une simple prise murale 230V standard. La « ligne longue émulée » est constituée d’une résistance et d’une bobine ajoutées en série (sur le conducteur de phase uniquement, pas sur le conducteur de neutre). Ces deux éléments série permettent d’augmenter les effets observés sur la tension, de manière à ce qu’ils soient bien visibles. Figure 2 : résistance de la "ligne longue émulée" et son radiateur Figure 3 : bobine série (gauche) et bobine parallèle (droite) utilisées dans le montage L’onduleur du commerce qui est utilisé dans le montage est un micro-onduleur d’une puissance nominale d’environ 300W. Cet onduleur n’est en fait utilisé dans le montage que pour injecter de la puissance active ; la consommation de puissance réactive est réalisée grâce à une deuxième bobine, montée en parallèle de l’onduleur. En pratique, les deux opérations (production de puissance active d’une part, et production/consommation réactive d’autre part) peuvent être réalisées par l’onduleur lui-même, mais pour les besoins de la démonstration il était plus simple d’utiliser une bobine séparée. Notre « onduleur émulé » est donc en fait composé d’un onduleur du commerce et d’une bobine montée en parallèle. Dans la vidéo, les deux bobines et la résistance sont dissimulées dans le socle du présentoir. La partie de droite du schéma électrique représente l’alimentation à courant continu, du commerce, qui alimente l’entrée DC de l’onduleur au travers d’un interrupteur (cette alimentation à courant continu est bien sûr elle-même alimentée par le réseau AC amont, mais cette alimentation AC n’est pas représentée sur le schéma électrique ci-dessus). Ce montage direct de l’alimentation DC à l’onduleur a le mérite de la simplicité, mais présente aussi des inconvénients car l’alimentation DC n’a pas les mêmes caractéristiques qu’un véritable panneau solaire. C’est la raison pour laquelle la puissance active est relativement instable, avec des variations incontrôlées dans un intervalle de l’ordre de 90W à 110W. Ce montage simple a néanmoins été retenu, car il suffisait pour les besoins de la démonstration. Les mesures sont effectuées avec deux centrales de mesure du commerce pour la tension efficace (afficheur « mesure tension », placé au niveau de la sortie AC de l’onduleur) et la puissance active (afficheur « mesure puissance », également placé au niveau de la sortie AC de l’onduleur du commerce – le faible courant actif qui entre dans la bobine montée en parallèle n’est donc pas pris en compte dans la mesure). Les données capturées à l’oscilloscope sont mesurées respectivement par une sonde différentielle de tension (pour la tension instantanée) et une pince de courant (pour le courant instantané en sortie de « l’onduleur émulé », en prenant donc cette fois en compte le courant qui passe dans l’onduleur du commerce et celui qui passe dans la bobine montée en parallèle). La mesure du courant à la pince est un peu bruitée, comme on peut le voir sur l’oscillogramme. L’acquisition est réalisée par un oscilloscope sur PC. La puissance instantanée affichée à l’oscilloscope n’est pas directement une mesure, mais le résultat de l’opération mathématique « produit » appliqué aux deux canaux « tension » et « courant ». Le bruit qui entache la mesure de courant se retrouve donc sur la courbe de puissance instantanée. Noter que, si en théorie les courbes de tension instantanée et de courant instantané sont sinusoïdales, elles ne le sont jamais parfaitement en pratique ; cet effet est bien visible sur les oscillogrammes montrés dans la vidéo, notamment lorsque l’onduleur du commerce est en fonctionnement. En résumé, les deux interrupteurs qui sont utilisés dans la vidéo ont donc respectivement pour effet : • de mettre hors-tension la bobine montée en parallèle dans « l’onduleur émulé » (interrupteur étiqueté « réactif on/off ») ; • et de couper l’alimentation de l’onduleur du commerce en courant continu (interrupteur étiqueté « onduleur on/off »). Lien avec la théorie : représentation de Fresnel Cette section s’adresse aux personnes qui connaissent la représentation de Fresnel, permettant de d'assimiler les signaux sinusoïdaux à des nombres complexes, dits « phaseurs », qui sont représentés par des vecteurs dans un plan complexe. On prend comme référence de phase le signal de tension, en rouge sur les schémas ci-dessous. Le phaseur de tension est donc réel (= « horizontal », sans partie imaginaire) par hypothèse. A 2’29’’, l’onduleur ne produit que de la puissance active (l’onduleur du commerce est alimenté côté DC, et la bobine montée en parallèle est hors-tension). La sinusoïde de courant est (quasiment) en phase avec celle de tension, et le phaseur de courant est donc également réel. Le phaseur de puissance complexe (S, défini comme le produit du phaseur de tension et du conjugué du phaseur de courant, S = U I*) est donc également réel. C’est ce que l’on peut observer sur la Figure 4. Noter que la mesure de courant est prise en convention générateur : lorsque la tension est positive, le courant l’est aussi, et inversement. La puissance P est bien positive, comme il se doit pour un générateur pris en convention générateur. Figure 4 : puissance active seule (2'29") A 3’12’’ on ferme l’interrupteur associé à la bobine montée en parallèle. La situation est représentée sur la Figure 5 : le courant est maintenant en avance1 sur la tension. La puissance complexe S (égale au produit U I*) a toujours la même partie réelle positive P, de l’ordre d’une centaine de Watts, mais sa partie imaginaire n’est plus nulle : elle devient également de l’ordre d’une centaine de VAr (« volt- ampère-réactif »). Noter que le signe de Q est négatif (l’onduleur étant pris en convention générateur), c’est pourquoi l’on dit : « l’onduleur consomme de la puissance réactive ». Figure 5 : puissance active et puissance réactive (3'12") A 4’23’’ on ouvre l’interrupteur qui alimente l’entrée DC de l’onduleur du commerce, qui cesse de fonctionner et se comporte essentiellement comme un interrupteur ouvert ; le courant que l’on observe est donc celui qui traverse la bobine montée en parallèle de l’onduleur. Ce courant est purement réactif, autrement dit, il est en quadrature avec la tension (Figure 6) – pour être précis, il est en avance de 90° sur la tension. La puissance apparente S = U I* est imaginaire pure (P = 0), et la valeur de cette partie imaginaire est négative (Q < 0). Figure 6 : puissance réactive seule (4'23") 1 Rappel : l’onduleur produit de la puissance active, et la mesure de courant est prise ici en convention générateur ; c’est pourquoi l’ajout d’un élément inductif en parallèle a pour effet de faire avancer le courant par rapport à la tension. En revanche, pour une charge, prise en convention récepteur, l’ajout d’un élément inductif en parallèle a bien pour effet de retarder le courant par rapport à la tension (c’est ce que les électrotechniciens retiennent généralement : « pour une charge inductive, le courant est en retard sur la tension »). Pourquoi la tension varie-t-elle ? Essayons de donner une explication intuitive, sans aucun calcul, des variations de tension que nous observons. Enoncé du problème La situation est représentée sur la Figure 7 : d'après la loi des mailles, la tension au niveau de l’onduleur est égale à la somme vectorielle de la tension du réseau Uamont et de la variation de tension dans la ligne ΔU, elle-même égale (loi d’Ohm) au produit de l’impédance de ligne et du courant appelé par l’installation que le réseau alimente. La question est donc : selon la nature de la charge (production ou consommation de puissance active ou réactive), la tension efficace |Uamont + ΔU| au niveau de la charge sera-t-elle supérieure ou inférieure à la tension efficace |Uamont| au niveau du réseau amont ? Figure 7 : la tension au niveau de l'onduleur résulte de la variation de tension dans la ligne, elle-même déterminée par l’impédance de la ligne et par le courant appelé par la charge (ou comme ici, par l’installation de production) Approximation de Kapp On peut simplifier l’analyse grâce à l’observation suivante (Figure 8Figure 7) : si Uamont et ΔU sont en phase, alors les valeurs de tension efficace de U et de ΔU s’ajoutent (ou inversement se soustraient, si Uamont et ΔU sont en opposition de phase) ; tandis que si Uamont et ΔU sont en quadrature, alors la tension efficace de la somme (|U+ΔU|) est pratiquement égale à la tension efficace d’origine (|U|). Figure 8 : ΔU en phase et en quadrature avec Uamont Or : • le courant qui traverse l’onduleur du commerce est en phase avec la tension du réseau. En uploads/Finance/ sem1-seq2c-puissance-active-puissance-reactive.pdf