1 وزا ا رة ـ ـــ ـ اـــ و اــــ ا ــــــــــ MINISTERE DE L’ENSEI

1 وزا ا رة ـ ـــ ـ اـــ و اــــ ا ــــــــــ MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE  ـ ــ  ت س ـ ـ ــ1- UNIVERSITE FERHAT ABBAS –SETIF-1 ـ اـــــــــ Faculté de Technologie : ا  و  "! Département d’électrotechnique Support de Cours Présenté au Département d’Electrotechnique Intitulé de la Matière État d’Art de Génie Electrique Code de la Matière : LET36 / LAT36 Destiné aux Electroniciens, Electrotechniciens et Automaticiens de la 2ème année Licence Préparé par : Dr. DIDA Abdelhak Année Universitaire : 2018/2019 2 Introduction Ce cours est destiné aux étudiants de deuxième année licence électrotechnique, électronique et automatique, et pour ceux qui veulent avoir un aperçu général sur les différentes filières existantes en génie électrique et souligner l’impact de l’électricité dans l’amélioration de la vie quotidienne de l’homme. Le génie électrique regroupe l’ensemble des disciplines en lien avec l’électricité. Ce domaine s’étend de l’électronique (courants faibles) à l’électrotechnique (courants forts) et comporte tous les outils techniques et mathématiques nécessaires à l’étude des phénomènes électriques et aux applications. L’automatique étant la discipline de modélisation des commandes et contrôles de ces applications, elle est associée naturellement au domaine. Ce cours est décomposé suivant le CANEVAS en six chapitres : Le premier chapitre introduit les notions de base à la compréhension d’électrotechnique, par exemple pourquoi l’électricité devient le neurone principale de notre vie moderne, les différentes manières de production, le problème d’écoulement d’électricité à travers le réseau pour reste stable est disponible, la différence entre les deux systèmes l’alimentation continu et alternative. Les trois lois fondamentales en électrotechnique sont mentionnées brièvement, les types de machine électriques les plus utilisés sont présentés et finalement une discussion concernant la sécurité d’installations électriques et des personnes et les différences appareils de protections et de commande domestiques ou industriels. Le deuxième chapitre introduit les notions de base à la compréhension d’électronique, Le troisième chapitre introduit les notions de base à la compréhension d’automatisme, Le quatrième chapitre introduit les notions de base à la compréhension de robotique, J’espère que ce modeste travail puisse aider nos étudiants à bien découvrir les branches de génie électrique et éclairer le chemin qu’ils prendront dans les années de leurs formations licence et master. 3 I. Chapitre 1 Electrotechnique Reference bibliographiques : • Bernard Schneider et Alain Beuret, ÉLECTRICITE AU SERVICE DES MACHINES, Tronc commun des filières Microtechnique-mécatronique et Systèmes industriels, Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaut, 2007. • Christophe Fransois : GENIE ELECTRIQUE, COUR COMPLET ILLUSTRE. • B. Saint Jean : Electrotechnique et machine électrique. • Claude Chevassu : Electromagnétisme pour l’électrotechnique. • El Mimouni El Hassan et …, SCIENCES DE L'INGENIEUR, manuel scolaire des Sciences de l’ingénieur de la 1ere année Sciences et Technologies Électriques (STÉ), Maroc, 2006. • Denis Rabasté, PRINCIPES ET CARACTERISTIQUES DES PRINCIPAUX MOTEURS ELECTRIQUES, IUFM Aix Marseille. • Robert Garnier, LES MOTEURS ELECTRIQUES, Fiche de cours, Enseignement Transversal Commun. • Internet : EXTRAIT_CATALOGUE_SCHNEIDER.pdf 4 1.1. Introduction : Selon le principe de la conservation de l’énergie, la quantité totale d’énergie après n’importe quel transformation demeure quantitativement la même qu’auparavant. Donc, l’énergie se transforme tout simplement; elle ne peut être ni créée, ni détruite. L’énergie potentielle et l’énergie cinétique sont partout dans la nature, pétrole, gaz naturel, charbon, uranium, soleil, vent, fleuve, mer …etc. le rôle d’électrotechniciens c’est de comprendre et maitrise chaque conversion d’énergie pour arriver au maximum rendement possible avec le minimum coût possible. 1.2. Qu'est-ce que l'Electrotechnique ? L’électrotechnique c'est la partie de la physique qui regroupe les disciplines traitant l’électricité en tant qu’énergie. On peut citer la production, le transport, la transformation, la distribution, la conversion et l’exploitation de l’énergie électrique. L'énergie électrique provient d’une transformation d'énergie mécanique, chimique, thermique ou lumineuse (Fig. 1.1). Cette source d’énergie peut se présenter sous forme d’une source de tension continue ou alternative. L’unité d’une tension électrique est le Volt (V). 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. En revanche, l'électricité ne se stocke pas, un défaut qui a des conséquences très importantes sur le fonctionnement des réseaux de production et de distribution. Le système électrique comprend des sites de production (centrales nucléaires, thermiques, hydro-électriques, ou production décentralisée : éoliennes, petite hydraulique, marémotrices, cogénération, etc.), et des lieux de consommation (communes, entreprises, etc.), reliés par le réseau électrique (transport et distribution). Ce dernier a pour rôle d’acheminer l’énergie vers les lieux de consommation, avec des étapes d’élévation et de baisse du niveau de tension dans des postes de transformation. La tension à la sortie des grandes centrales est portée à 400 KV pour limiter les pertes d’énergie sous forme de chaleur dans les câbles ; ce sont les pertes par « effet Joule ». Fig. 1.1 Toutes les formes d’énergie à la nature peuvent convertir à l’énergie électrique soit directement ou indirectement. Fig. 1.2 Réseaux électriques à travers le monde Fig. 1.3 Chemin de l’électricité. Ensuite, la tension est progressivement réduite au plus près de la consommation, pour arriver aux différents niveaux de tension auxquels sont raccordés les consommateurs (400 KV, 225 KV, 90 KV, 63 KV, 20 KV, 400 V ou 230 V suivant leurs besoins en puissance). 5 1.2.1. Dispatching La demande en électricité varie constamment au cours d'une journée en fonction des horaires de travail, de la durée du jour ou de la température. D'autres critères entrent également en ligne de compte comme les périodes de congé, les jours de la semaine, la saison en cours et les événements du calendrier. L'électricité produite par les centrales ne se stocke pas. Aussi, pour ajuster très précisément la production à la demande avec les meilleures conditions de sécurité, de rendement, de disponibilité et de coût, le réseau s’appuie sur des dispatchings, des centres de conduite de l’électricité à distance. Des prévisions de consommation définissent les besoins théoriques et des ajustements ont lieu en permanence pendant la journée (Fig. 1.4). En France, il existe : Fig. 1.4 Salle de contrôle.  1 dispatching national qui gère le réseau d'interconnexion à 400 KV et les échanges avec l'étranger.  7 dispatchings régionaux qui se chargent de la conduite des réseaux régionaux. Ceux-ci disposent d'instruments de téléconduite comprenant des dispositifs permettant :  de commander les organes de coupure (disjoncteurs, sectionneurs).  de connaître la position de ces organes.  de mise en route/arrêt pour un groupe de production électrique.  de mesurer un certain nombre de grandeurs (tension, intensité, fréquence).  de signaler des dysfonctionnements (alarmes). 1.2.2. Stockage d’Electricité Le stockage de l’énergie est utilisé pour répondre à trois besoins principaux : • Déplacer avec sa propre source d’énergie, c’est le besoin d’autonomie (véhicule électrique). • Compenser le décalage temporel entre la demande en énergie et la possibilité de production. • Compenser les fluctuations d’énergie délivrée au réseau (centrales éoliennes et houlomotrices). On a deux types de stockages d’électricité: • Stockage direct sous forme : électrostatique (condensateur de supercapacité) ou électromagnétique (bobine de supraconductivité). • Stockage indirect sous forme : électrochimique (batteries, hydrogène), cinétique (volants d’inertie), gravitaire (station de pompage hydraulique), pneumatique (air comprimé souterrain), thermique (centrales solaires thermodynamiques). 1.3. Production d’Energie Electrique L'énergie électrique est une énergie secondaire qui est produite à partir d'énergies primaires. Les trois principaux modes de production sont les centrales à fission nucléaires, les centrales à combustibles fossiles et les centrales hydroélectriques. La turbine et l’alternateur sont les deux pièces principales de ces centrales d’électricité. Fig. 1.5 Turbine à vapeur destiné aux centrales thermiques et nucléaires Fig. 1.6 Turbo-alternateur destiné aux centrales thermiques et nucléaires 1.3.1. Centrales à Fission Nucléaire Une réaction utilisant le combustible nucléaire (dioxyde d'uranium enrichi UO2) dégage de la chaleur qui permettre de vaporiser l’eau, la vapeur d’eau obtenue fait tourner une turbine qui fait tourner à son tour un alternateur. Le rendement global est entre 30 % et 40 %. 6 Schéma de principe : Fig. 1.7 Parties principales d'une centrale nucléaire à eau pressurisée Bilan énergétique : 1.3.2. Centrales à Combustibles Fossiles Une réaction utilisant un combustible fossile (Pétrole, gaz naturel ou charbon) dégage de la chaleur qui permettre de vaporiser l’eau, la vapeur d’eau obtenue fait tourner une turbine qui fait tourner à son tour un alternateur. Le rendement global est entre 40 % et 60 %. Schéma de principe : Fig. 1.8 Parties principales d'une centrale thermique à flamme Bilan énergétique : 1.3.3. Centrales Hydro-électriques L'énergie provenant de la chute d'une masse d'eau est tout d'abord transformée dans une turbine hydraulique en énergie mécanique, et l’alternateur transforme à son tour cette énergie mécanique en énergie électrique. Le rendement global est entre 80 % et 95 %. Schéma de principe : Fig. 1.9 Parties principales d'une centrale Hydro-électrique à moyenne chute 7 Bilan énergétique : 1.3.4. Centrales à Energie Renouvelable • Centrales Eoliennes : Les pales de l’éolienne sont mises en mouvement par le vent, elles entrainent avec elles un axe qui fait tourner l’alternateur. Le rendement est entre 40 % et 45 %. • Centrales Photovoltaïques uploads/Industriel/ cours-complet-1-etat.pdf

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