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ELECTROTECHNIQUE Chapitre 4 : Systèmes triphasés équilibrés 2 Systèmes triphasé

ELECTROTECHNIQUE Chapitre 4 : Systèmes triphasés équilibrés 2 Systèmes triphasés équilibrés 1. Production de l’énergie électrique 1.1 Introduction: • L’électricité est la forme d’énergie la plus utilisée dans quasiment tous les secteurs de l’économie mondiale. • Elle est la base du développement de l’humanité. • Indispensable à l’industrie, aux bâtiments et à tous les aspects de la vie quotidienne. • Forte augmentation de la demande depuis la révolution industrielle, très forte augmentation récente. 3 Systèmes triphasés équilibrés • Produire de l’électricité nécessite une source d’énergie primaire: pétrole, charbon, gaz, uranium, soleil, vent ou eau… 4 Systèmes triphasés équilibrés • L’énergie électrique est consommée au moment où elle est produite; • L’usine de production de l'énergie électrique est la centrale électrique; • Deux éléments clés sont nécessaires à la production de l’énergie électrique: La turbine et l’alternateur. Alternateur Turbine Vapeur de 12.5 MVA Turbine Alternateur 5 Systèmes triphasés équilibrés Groupe turbo-alternateur: • Dans les centrales, l'électricité est fournie par les groupes "turbo- alternateur": • La turbine sert à transformer l’énergie de l’eau, de la vapeur ou du vent en énergie mécanique avec, pour but, de faire tourner un alternateur: Turbine Turbine 6 Systèmes triphasés équilibrés • L’alternateur est une machine tournante qui convertit l'énergie mécanique fournie au rotor en énergie électrique à courant alternatif. • La turbine est en liaison mécanique complète avec la partie tournante de l'alternateur (le rotor). • Le rotor est l'inducteur. Il peut être constitué d'un aimant permanent ou d’un bobinage alimenté en courant continu à l'aide d'un collecteur à bagues et balais. Rotor Stator Alternateur Inducteur 7 Systèmes triphasés équilibrés • Le rotor tournant crée un champ magnétique tournant qui donne naissance à des forces électromotrices dans chacune des phases de l’enroulement du stator qui est l’induit (partie fixe de l'alternateur). Stator 8 Systèmes triphasés équilibrés • L’alternateur couplé à une turbine en rotation est la partie commune à toutes les centrales électriques. Il fournit une tension alternative triphasée. Alternateur Turbine Énergie primaire Lignes de transport Énergie électrique Transformateur Énergie mécanique 9 Systèmes triphasés équilibrés 1.2 Centrales électriques: Une centrale électrique réalise une chaîne énergétique : une énergie primaire subit une ou plusieurs conversions, pour finalement devenir de l’énergie électrique. Il y a deux types d'énergies primaires: Sources d’énergies renouvelables: • Les énergies renouvelables proviennent de sources inépuisables (soleil, vent, eau, géothermies, marées) ou renouvelables à l’échelle d’une vie (biomasse: bois, plantes). Sources d’énergies non renouvelables: • les énergies non renouvelables proviennent de sources épuisables dont les réserves sont limitées (pétrole, gaz, charbon, uranium). Les différents types de centrale électrique: L'électricité peut être produite par de nombreux types d'installations: • Les centrales nucléaires; • Les centrales thermiques; • Les centrales hydrauliques; • Les centrales solaires; • Les centrales éoliennes; 10 Systèmes triphasés équilibrés Centrales nucléaires: • la chaleur permettant la génération de vapeur d'eau est produite par la réaction nucléaire (fission d'uranium). 11 Systèmes triphasés équilibrés Schématisation de la fission des noyaux d’uranium 12 Systèmes triphasés équilibrés • L'énergie produite par la fission nucléaire permet de chauffer un fluide qui passe à l'état gazeux et active une turbine de production d'électricité. Un circuit primaire permet de refroidir le réacteur et de transférer la chaleur dégagée à un générateur de vapeur (chaudière) qui produit la vapeur d'eau alimentant la turbine à vapeur. Eau sous pression Circuit primaire Circuit secondaire Circuit tertiaire Réacteur Générateur de vapeur Turbine Alternateur Tour de refroidissement Transformateur Condenseur Pressuriseur Vapeur sous pression Eau sous pression Barres de contrôle 13 Systèmes triphasés équilibrés Le rendement correspondant aux technologies actuellement disponibles est 35%. Avantages: • Pas d'émissions de gaz à effet de serre pour la production d'électricité; • Coût marginal de production d'électricité faible, en raison notamment du coût relativement faible du combustible; • Longue durée de vie (40 à 60 ans); • Forte densité énergétique (Un réacteur nucléaire fournit une puissance électrique de l'ordre du millier de mégawatts); • Utilise peu de combustible; • indépendante des conditions météorologiques. Inconvénients: • Source d’énergie non renouvelable; • Gestion des déchets nucléaires radioactifs (difficiles à gérer); • Accidents graves possibles en cas d'incident (demande beaucoup de sécurité et d’entretien); 14 Systèmes triphasés équilibrés Centrales thermiques: • Un combustible (pétrole, gaz naturel, charbon, fioul,…) dégage de la chaleur en brûlant. • La chaleur transforme l’eau liquide en vapeur d'eau. La vapeur sous pression fait tourner les pales de la turbine qui entraine l'alternateur qui produit l'électricité. 15 Systèmes triphasés équilibrés • Diverses technologies existent, en fonction du combustible (charbon, fioul, gaz) ou du type de chaudière. • Le rendement correspondant aux technologies actuellement disponibles 45% Cheminée Chaudière Ballon Bruleurs Combustible Condenseur Eau de refroidissement (mer, rivière ou réfrigérant atmosphérique) Turbine Alternateur 16 Systèmes triphasés équilibrés Avantages : • Facile à construire et à utiliser; • Indépendante des conditions météorologiques; • Énergie thermique produite permet de chauffer des usines, des habitations; • Autonomie (dépendant de l'approvisionnement et du stock de combustible); • Flexibilité dans le choix du combustible (pour certaines technologies); • Longue durée de vie (30 à 40 ans); • Système d’appoint lorsque la demande est forte. Inconvénients : • Usage de combustibles fossiles non renouvelables (raréfaction et coût de la ressource, dépendance énergétique); • Réactivité faible au démarrage (plus d’1h pour atteindre la puissance max); • Dépendance par rapports aux pays producteurs de pétrole, gaz naturel et charbon; • Emissions de gaz à effet de serre et d'éléments polluants, en particulier sur charbon et fioul (dioxyde de carbone, oxydes de soufre ..., poussières). 17 Systèmes triphasés équilibrés Centrales hydrauliques: Une centrale hydraulique exploite l'énergie potentielle gravitaire fournie par une masse d'eau en mouvement pour produire de l'énergie électrique. On distingue: • les ouvrages hydroélectriques disposant d'un stock d'énergie (ouvrages, lac avec retenue d'eau), sont des centrales de haute chute; 18 Systèmes triphasés équilibrés • Les ouvrages hydroélectriques produisant au "fil de l’eau", sont des centrales de basse chute. 19 Systèmes triphasés équilibrés • La chute de l'eau, guidée par un réseau de conduite, entraîne des turbines reliées à un alternateur. Lac de retenue et barrage Conduite forcée Turbine/Alternateur Poste électrique (transformateur) 20 Systèmes triphasés équilibrés • Certains ouvrages, disposent en plus d'une capacité de pompage qui offre un degré de flexibilité supplémentaire, en remontant l’eau dans un bassin supérieur pendant les périodes creuses de consommation électrique et en produisant de l'électricité durant les périodes de plus forte consommation. • Le rendement dépend de la technologie de la turbine (Pelton, Francis, Kaplan) ainsi que des caractéristiques de la centrale est 80%. Avantages : • Usage de ressources propre renouvelables; • Forte réactivité (démarrage en quelques secondes); • Production d'électricité flexible pour les centrales disposant d’un stock (et d’une capacité de pompage); • Longue durée de vie (supérieure à 50 ans); • Coût marginal de production d'électricité faible (dépendant du stock). Inconvénients : • Un peu dépendante des conditions météorologiques (problème lors des sécheresses); • Raréfaction des sites exploitables (fortes contraintes géographiques); • Production limitée par la réserve d'eau disponible ; • Impacts environnementaux peuvent être très importants, surtout lors de la mise en place de structures de types barrages. 21 Systèmes triphasés équilibrés Centrales solaires photovoltaïques: • Les systèmes solaires photovoltaïques (PV) convertissent l'énergie du rayonnement solaire en électricité grâce à des cellules à base d’un matériau semi-conducteur, sous l'excitation des photons de la lumière, le matériau crée un déplacement d'électrons. 22 Systèmes triphasés équilibrés • Chaque cellule délivrant une faible tension, les cellules sont assemblées en série pour former des modules; • Les modules sont reliés entre eux (série et parallèle) pour former des panneaux; • Les systèmes photovoltaïques se présentent sous forme de panneaux disposés, dans un nombre variant de un à plusieurs centaines de panneaux. Cellule photovoltaïque Panneau photovoltaïque Module photovoltaïque 23 Systèmes triphasés équilibrés • Le courant délivré est continu, l’installation d’un onduleur est nécessaire pour délivrer un courant alternatif, notamment dans le cas d’une injection de l’électricité sur le réseau. • Le rendement est faible. Il est actuellement compris entre 6 et 25%, selon le type de cellules de silicium utilisées. Onduleur solaire Transformateur Réseau électrique Panneaux photovoltaïques Courant continu Courant alternatif 24 Systèmes triphasés équilibrés Avantages : • Usage de ressources renouvelables, sans émissions de gaz à effet de serre pour la production d'électricité; • Abondance de la ressource; • Coût marginal de production d'électricité faible ("gratuité de la ressource") • Forte modularité d’installation, adaptée au logement particulier et à l’autoconsommation. Inconvénients : • Intermittence de la production d'électricité (variabilité dans le temps et dans l'espace de l'ensoleillement), et dépendante des conditions météorologiques; • Incertitude dans la prévision de la ressource; • Création de perturbations sur le réseau (variations brutales d’ensoleillement); • Rendement des panneaux solaires n’est pas très bon; • Nécessite des surfaces gigantesques; • Coût des panneaux est encore est relativement élevé. 25 Systèmes triphasés équilibrés Centrales solaires thermique: • Les systèmes solaires thermiques convertissent l'énergie contenue dans les rayons du soleil en chaleur. Ils se présentent sous forme de panneaux exposés au soleil, et dans lesquels des tubes remplis d'un liquide caloporteur captent la chaleur des rayonnements. • On uploads/Industriel/ chapitre-1-systemes-triphases.pdf