SOMMAIRE Chapitre 1  Du courant alternatif au courant continu I. Généralités s

SOMMAIRE Chapitre 1  Du courant alternatif au courant continu I. Généralités sur le transport d'énergie..............................................................................................6 II. Principes généraux des stations de conversion du premier type......................................... 15 III. Aspects technologiques et caractéristiques principales des liaisons CCHT.................. 24 Chapitre 2  Transport d'énergie en continu : exercices et problèmes corrigés (1re série) 2.1. Transport d’énergie : comparaison triphasé-continu (BTS, DUT) *..................... 28 2.2. Liaison à courant continu : principes de base (d’après BTS) *............................... 30 2.3. Associations série et parallèle de thyristors (DUT) ** .............................................. 34 2.4. Principe de fonctionnement d’une ligne CCHT sur un exemple simple (DUT, premier cycle ingénieurs) * .................................................................................. 37 2.5. Comparaison de convertisseurs. Utilisation de grandeurs réduites (BTS, DUT, premier cycle) **.......................................................................................... 40 2.6. Etude d’une liaison à courant continu élémentaire (Ingénieur ESME) ** .......... 43 2.7. Convertisseur C.C.C. (Ingénieur, CAPES, CAPET) **............................................ 47 Solutions des exercices et problèmes ....................................................................................... 52 Chapitre 3  Structure et technologie des liaisons à courant continu. Les nouvelles améliorations. Problèmes (2e série) I. Structure des liaisons réelles. Lignes bipolaires........................................................................ 78 II. Filtrage. Compensations de puissance ........................................................................................ 79 III. Liaisons de la deuxième et troisième génération : C.C.C. et CSV .................................... 86 3.1. Problème : étude de deux types de transferts d’énergie (Agrégation tunisienne GE) *** ....................................................................................... 89 3.2. Problème : liaison courant continu triterminale (Agrégation GE partiel) *** ... 97 3.3. Problème : liaison CSV principes généraux (Agrégation interne partiel) ** ...105 Solutions des problèmes .............................................................................................................110 Chapitre 4  Du courant continu au courant alternatif : quelques aspects technologiques classiques des câbles et principe des FACTS 4.1. Ligne bifilaire de transport d’énergie (ENSEA) * ....................................................136 4.2. Aspects magnétiques d’une liaison bifilaire (ENSEA) *........................................139 4.3. Etude d’un câble de transport d’énergie à courant continu (Liaison IFA 2000 agrégation partiel) *** ..................................................................142 4.4. Transmission de puissance entre deux réseaux, principe des FACTS (Agrégation interne partiel) **........................................................................................144 Solutions des exercices et problèmes .....................................................................................147 Annexe : séries de Fourier...........................................................................................................172 Bibliographie et documentation...............................................................................................176 Avant-propos Comme indiqué dans l’avant-propos du fascicule 1 des Exercices et problèmes de conversion d’énergie autour d’un thème, on se propose de compléter avec le courant continu l’exploration précédemment entamée. Par une série d’exercices, on a été amené à analyser les difficultés et les limites du transport d’énergie électrique en courant alternatif. Les problèmes soulevés sont, pour l’essentiel, intrinsèquement liés à la nature de l’énergie électrique mise en œuvre et ainsi, on a pu voir successivement :  l’influence des composants actifs et réactifs de la ligne de transport d’énergie du point de vue de la chute de tension et du rendement ;  l’influence du facteur de puissance de la charge sur cette même chute de tension et sur les pertes en ligne ;  la notion de puissance critique et celle corrélative d’effondrement du réseau, liées aux caractéristiques de la charge et à celles de la ligne ;  l’importance de la « pureté harmonique » de l’énergie transmise et les conséquences néfastes de la pollution harmonique des réseaux de transport d’énergie… Toutes ces notions et ces problèmes découlent du fait que la source est électriquement de nature alternative (tension ou courant), éventuellement triphasée, équilibrée ou déséquilibrée. Le moyen de pallier ces inconvénients s’est réduit pendant un moment à l’usage de courant et de tension continus. Or, historiquement, le combat entre les deux formes d’énergie a eu lieu et s’est terminé par la « victoire » du courant alternatif (cf. infra chapitre 1). Les motivations qui ont présidé au choix furent essentiellement technologiques et ont dérivé de la nature des composants mis en service donc de l’histoire de leurs technologies ; moins d’un siècle après leur généralisation et la suprématie du courant alternatif, le problème subit un premier retournement et donne lieu à un premier développement du courant continu avec l’avènement des premières liaisons CCHT. Un siècle après, le débat reste ouvert, car nous nous situons à une nouvelle charnière technico- économique avec des dispositifs issus de la conversion statique d’énergie permettant d’améliorer sensiblement le transport en alternatif (FACT). Les problèmes abordés dans ce fascicule ont pour la majorité été posés dans les concours de recrutement d’enseignement. Ils sont en général assez longs mais restent de difficulté moyenne et, pour la majorité d’entre eux, sont abordables par des étudiants de second cycle universitaire et d’écoles d’ingénieurs et même en classes préparatoires. Les autres problèmes sont des problèmes de DUT/BTS et ceux-ci joints à quelques énoncés originaux sont un bon terrain d’applications et d’entraînement pour tous les étudiants. Certaines notions générales, bien que relevant d’un cours classique de conversion d’énergie, méritaient un développement particulier. C’est la raison pour laquelle leur rappel nous a semblé nécessaire pour une meilleure compréhension des problèmes abordés et ont fait l’objet d’un chapitre complet (chap. 1). Pour terminer, nous avons gardé la classification des difficultés pour l’ensemble des exercices :  une étoile * : exercices simples, applications directes de notions du cours ;  deux étoiles ** : exercices et problèmes nécessitant une recherche plus approfondie et constituant par certains aspects un complément du cours ;  trois étoiles *** : pour des problèmes présentant des difficultés spécifiques, valant, comme certaines tables gastronomiques, le détour et l’attention de ceux qui aiment chercher… Exercices de conversion d'énergie. 5 Chapitre 1 Du courant alternatif au courant continu Il peut paraître surprenant d’aborder le problème du transport d’énergie sous cet angle alors qu’historiquement au XIXe siècle et au début du XXe l’option en faveur du courant alternatif avait, semble-t-il, été réglée définitivement. En effet, aux débuts de l’électricité et du transfert d’énergie, le problème qui s’était posé restait celui du choix entre alternatif et continu pour cette nouvelle mise en œuvre de l’énergie alors appelée force motrice. L’opposition avait été vive entre Nicolas Tesla et Thomas Edison : le premier tenait pour le courant alternatif et le second pour le courant continu. La suprématie du premier en termes technico-économiques de ce temps fut amorcée lors de l’exposition de Chicago en 1895 où, avec la Westinghouse Corporation, N. Tesla prouva l’intérêt du courant alternatif en matière de transport d’énergie. En fait, ce fut la quasi-simultanéité de plusieurs décou- vertes qui fit pencher la balance en faveur des courants et tensions variables avec le temps :  1882-1884 : Gaulard et Gibbs réalisent le premier transformateur.  1882-1883 : M. Deprez démontre en France l’intérêt de la haute tension en transfert d’énergie continue avec quelques réalisations spectaculaires (cf. tableau 1.5. page 10).  1888 : N. Tesla conçoit le premier système opérationnel de génération et de transmis- sion de courant alternatif pour les réseaux d'électricité. Mais Thomas Edison était un partisan convaincu du courant continu et Tesla démissionne pour se consacrer exclusivement à la recherche expérimentale. Il quitte Edison et vend les droits de ses inventions à l'inventeur et industriel américain George Westinghouse.  1889 : mémoire de M. Leblanc sur le moteur monophasé.  1889-1890 : von Dolivo Dobrowolsky invente le premier moteur asynchrone à cage. Il étudie également les premiers couplages triphasés et théorise les transformateurs triphasés.  1891 et 1892 : transport d’énergie Lauffen-Francfort en alternatif ; maître d’œuvre O. von Miller 175 km ; 200 kW 15 à 30 kV.  1893 : Westinghouse utilise, à titre de démonstration, l'alternateur de Tesla pour l'éclairage de la World's Columbian Exposition à Chicago. Le système remporte un brillant succès. Cet épisode, qui marqua son époque, entraîna une farouche concurrence entre Edison et Westinghouse. A cette même exposition, présentation du moteur asynchrone de Ferraris. La difficulté importante que le courant alternatif avait contournée était la réalisation d’une tension élevée par l’intermédiaire du transformateur qui en était alors à ses débuts. En continu, la limitation était alors imposée par les tensions de sortie des génératrices qui ne pouvaient, à cette époque, qu’atteindre 2 à 3 kV. Donc entre 1884 et 1893, le courant alternatif prend le pas sur le courant continu dans le domaine du transport d’énergie électrique. Ce ne sera que 70 ans plus tard que la remise en question du courant alternatif sera effectuée avec la mise en place de convertisseurs utilisant des « valves1 » à vapeur de mercure permettant d’obtenir des tensions élevées en courant continu. 1 Le mot valve peut paraître désuet mais il fait partie à présent du vocabulaire utilisé en conversion d’énergie à courant continu haute tension (C.C.H.T.) Il correspondait à un composant à vapeur de mercure utilisé dans les premiers temps. On devrait le désigner actuellement par interrupteur, mais l’usage a perduré pour désigner non seulement un thyristor mais un groupement de ce type de composants ou autres. Transport d'énergie en continu : exercices et problèmes corrigés. 30 Figure 2.1.2. Structure simplifiée du conducteur triphasé. (énoncé original, niveau prépa, BTS, DUT) 2.2. Liaison à courant continu : principes de base ¾ L’échange d’énergie entre deux réseaux triphasés peut se faire par l’intermédiaire de deux ponts redresseurs onduleurs (figure 2.2.1). Les deux ponts sont des ponts à thyristors. On désigne par V1 = 127 V et V2 = 220 V, les valeurs efficaces respectives des tensions simples des réseaux 1 et 2 c'est-à-dire uploads/Ingenierie_Lourd/ exce2.pdf

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Ingénierie courant tension transport continu d’énergie
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