Les fonctions de contrôle avec un alternateur

Du fait des caractéristiques spécifiques de l’alternateur et de sa régulation, il est nécessaire lors de la mise en œuvre de charges particulières d’assurer le contrôle des paramètres de fonctionnement du groupe.

Un alternateur a un comportement différent de celui d'un transformateur :

• la puissance active qu’il fournit est optimisée pour un cos φ = 0,8,
• en deçà de cos φ = 0,8, l’alternateur par augmentation de son excitation peut fournir une partie de la puissance réactive.

Batteries de condensateurs

Un alternateur à vide branché sur une batterie de condensateurs peut "s’auto-amorcer" et monter en surtension (voir "auto-excitation"). Il faut donc déconnecter la batterie de condensateurs utilisée pour la régulation du facteur de puissance. Cette opération peut être réalisée en transmettant une consigne d’arrêt au régulateur de la batterie (s’il est connecté au système qui gère les permutations de sources) ou en ouvrant le disjoncteur alimentant la batterie de condensateurs. Si des condensateurs restent nécessaires, il ne faut pas dans ce cas utiliser la régulation du relais varmétrique (mauvais réglage et trop lent).

Redémarrage et ré-accélération des moteurs

Losqu'une installation fonctionne sur groupe et comporte un certain nombre de moteurs, il est nécessaire d’étudier l’incidence du démarrage simultané de tous les moteurs sur le fonctionnement du générateur. Un alternateur peut fournir au maximum en période transitoire un courant compris entre 3 et 5 fois son courant nominal. Un moteur absorbe au démarrage environ 6 In pendant 2 à 20 s. Si la somme des puissances des moteurs (Σ P moteurs) est importante, un démarrage simultané des charges entraîne un courant d’appel trop important qui peut être néfaste : chute de tension importante, du fait de la valeur élevée des réactances transitoire et subtransitoire du groupe (20 % à 30 %) d’où des risques :

• de non démarrage des moteurs,
• d’échauffement lié à l’allongement du temps de démarrage dû à la baisse de tension,
• de déclenchement des protections thermiques.

De plus le réseau et les actionneurs sont perturbés à cause de la chute de tension.

Application

(cf. Fig. N7)

Un alternateur alimente un groupe de moteurs.

Caractéristiques de court-circuit de l’alternateur : Pn = 130 kVA à cos φ = 0,8,

In = 150 A

X″d = 20% (par exemple), d'où Icc = 750 A.

La question : est-il possible d’alimenter plusieurs moteurs de puissance totale Σ P = 45 kW ou 20 kW ?

C’est le calcul de la chute de tension au démarrage qui permet de répondre.

le Σ P moteurs est de 45 kW (soit 45% puissance de l’alternateur).

Σ P moteurs = 45 kW, Im = 81 A, d'où un courant de démarrage Idm = 480 A pendant 2 à 20 s.

La chute de tension sur le jeu de barres pour le démarrage simultané des moteurs se calcule à partir de l’équation :

[math]\displaystyle{ \frac {\Delta U}{U}=\left ( \frac{Id-In}{Icc-In} \right )\; \cdot 100\;en\; \% }[/math]

ΔU = 55% qui n'est pas supportable pour les moteurs (non démarrage).

le Σ moteurs est de 20 kW (20% puissance de l’alternateur).

Σ P moteurs = 20 kW, Im = 35 A, d'où un courant de démarrage Idm = 210 A pendant 2 à 20 s.

Chute de tension sur le jeu de barres pour le démarrage simultané des moteurs :

[math]\displaystyle{ \frac {\Delta U}{U}=\left ( \frac{Id-In}{Icc-In} \right )\; \cdot 100\;en\; \% }[/math]

ΔU = 10% qui est supportable mais important (dépendant du type de charge).

Fig. N7 – Redémarrage de moteurs prioritaires (ΣP > 1/3 Pn)

Conseils de redémarrage :

• si la Pmax du moteur le plus important [math]\displaystyle{ \gt \frac{1}{3}\mathrm {Pn} }[/math], un démarreur progressif doit impérativement être installé sur ce moteur,
• si Σ P moteurs [math]\displaystyle{ \gt \frac{1}{3}\mathrm {Pn} }[/math], le redémarrage en cascade des moteurs doit être géré par un automate,

• si Σ P moteurs [math]\displaystyle{ \lt \frac{1}{3}\mathrm {Pn} }[/math], il n’y a pas de problèmes de redémarrage.

Charges non linéaires - Exemple d’une ASI

Charges non linéaires

Il s’agit principalement :

• de circuits magnétiques saturés,
• de lampes à décharges, lampes fluorescentes,
• de convertisseurs électroniques,
• de systèmes de traitements informatiques : PC, ordinateurs, etc.

Ces récepteurs génèrent des courants harmoniques : lorsqu’ils sont alimentés par un groupe, une distorsion en tension importante peut apparaître du fait de la faible puissance de court-circuit de l’alternateur.

Alimentation Sans Interruption (ASI)

(cf. Fig. N8)

L’association ASI et groupe électrogène est la solution optimale pour assurer une alimentation de qualité à autonomie longue pour alimenter des charges sensibles.

Pour l’alternateur, l’ASI est aussi une charge non linéaire du fait de son redresseur d’entrée. A la permutation des sources, l’autonomie de l’ASI sur batterie doit permettre le démarrage et le couplage du groupe.

Fig. N8 – Association groupe (GE) et ASI pour une énergie de qualité

Puissance de l’ASI

La puissance appelée par une ASI doit prendre en compte :

• la puissance nominale des charges en aval. C’est la somme des puissances apparentes Sa absorbées par chacune des utilisations. Par ailleurs, pour ne pas surdimensionner l’installation, les performances de surcharge de l'ASI doivent être prises en compte (par exemple : 1,5 In pendant 1 minute et 1,25 In pendant 10 minutes),
• la puissance nécessaire à la recharge de la batterie : ce courant est proportionnel à l’autonomie souhaitée pour une puissance donnée. Le dimensionnement Sr d’une ASI est donnée par : Sr = 1,17 x Pn

Le tableau de la Figure N9 définit les courants absorbés par le redresseur (réseau 1) et le réseau Secours (réseau 2) d'une ASI.

Fig. N9 – Courants absorbés par l'ASI sur le réseau 1 (redresseur/batterie) et sur le réseau 2

Puissance nominale	Intensité des courants (A)
	Réseau 1 triphasé	Réseau 2 et Utilisation - triphasé
Sn (kVA)	400 V - I1	400 V - Iu
40	86	60,5
60	123	91
80	158	121
100	198	151
120	240	182
160	317	243
200	395	304
250	493	360
300	590	456
400	793	608
500	990	760
600	1 180	912
800	1 648	1 215

Association groupe (GE) /ASI

• Redémarrage du redresseur sur groupe

  Le redresseur de l’ASI peut être équipé d’un système de démarrage progressif du chargeur pour éviter les appels de courant dommageables lors de la reprise de l’installation par le groupe (cf. Fig. N10).

Fig. N10 – démarrage progressif du redresseur/chargeur d'une ASI

• Harmoniques et distorsion de tension

  Le taux de distorsion τ en tension est définie par :

  [math]\displaystyle{ \tau(\%)=\frac {\sqrt {\Sigma U^2_h} }{U_1} }[/math]

  avec Uh harmonique de tension de rang h.

  Ce taux dépend :

  • des courants harmoniques générés par le redresseur (ils sont proportionnels à la puissance Sr du redresseur),
  • de la réactance subtransitoire X"d de l’alternateur,
  • de la puissance Sg de l’alternateur.

On définit   [math]\displaystyle{ U^{'}Rcc(\%)= X^{''}d\frac{Sr}{Sg} }[/math]   tension de court-circuit relative de l’alternateur, ramenée à la puissance du redresseur, soit τ = f (U’Rcc).

Note 1 : la réactance subtransitoire étant importante, le taux de distorsion est généralement trop important par rapport au taux toléré (soit 7 à 8%) pour un dimensionnement économique raisonnable de l’alternateur : l’utilisation de filtre est la solution adaptée et économique.

Note 2 : la distorsion harmonique n’est pas gênante pour le redresseur mais peut l’être pour les autres charges alimentées en parallèle du redresseur.

Application

En fait on utilise un abaque pour trouver le taux de distorsion en fonction de U’Rcc (cf. Fig. N11).

L’abaque donne :

• soit τ en fonction de U’Rcc,
• soit U’Rcc en fonction de τ d’où on déduit le dimensionnement du groupe, Sg.

Fig. N11 – Abaque de calcul du taux de distorsion

Exemple : dimensionnement de l’alternateur

• ASI sans filtre de 300 kVA, réactance subtransitoire de 15%,

La puissance Sr du redresseur est Sr = 1,17 x 300 kVA = 351 kVA

Pour un τ < 7%, l’abaque donne U’Rcc = 4%, la puissance Sg est :

[math]\displaystyle{ Sg=351 \times \frac{15}{4}\approx 1400\, kVA }[/math]

• ASI avec filtre de 300 kVA, réactance subtransitoire de 15%

Pour τ = 5 %, le calcul donne U'Rcc = 12%, la puissance Sg est :

[math]\displaystyle{ Sg=351 \times \frac{15}{12}\approx 500\, kVA }[/math]

Note : avec un transformateur en amont de 630 kVA sur l’ASI sans filtre de 300 kVA, le taux de 5% serait obtenu.

Il ressort qu’un fonctionnement sur groupe doit être en permanence contrôlé à cause des courants harmoniques générés.

S’il s’avère que le taux de distorsion de tension généré est trop important, l’utilisation de filtre sur le réseau est la solution la plus efficace pour le ramener à des valeurs tolérables par les charges sensibles.