ENERGIE REDRESSEURS ET ONDULEURS PROGRAMME

Transcription

1 ENERGIE REDRESSEURS ET ONDULEURS PROGRAMME Première journée Introduction et rappels 1. Equipement d une installation électrique 2. Classification des installations électriques 3. Structure du réseau d alimentation électrique 4. Classification des charges en télécommunication Charges continues Charges alternatives Deuxième journée 1. Mode d alimentation des systèmes de télécommunication Structure d une station d énergie Equipements d une station d énergie 2. Caractéristiques du niveau primaire 3. Caractéristiques du niveau secondaire 4. Caractéristiques du niveau tertiaire Troisième journée Sources d énergie en télécommunication Introduction Sites raccordés au réseau publique Sites isolés Sources électromécaniques Quatrième et cinquième journée Les convertisseurs statiques Les redresseurs Les onduleurs Les hacheurs Les générateurs de courants spéciaux

2 FONCTION ENERGIE EN TELECOMMUNICATION I 1 :Généralités sur l énergie électrique I : Utilité de l énergie électrique L énergie électrique est la forme d énergie la plus utilisée à notre époque et la plus facile à transporter, elle sert à alimenter les installations suivantes : Eclairage Entraînement (transport, robotique, industrie, militaire, domestique ) Conditionnement (chauffage, climatisation, ventilation ) Electronique (informatique, audio-vidéo ) Télécommunication O Terminaux O Commutation O Transmission I : Equipement d une installation électrique Ligne électrique Utilisation Source primaire Energie Source Electrique générateur Equipement de ligne Charge Cette installation comprend quatre types d équipements : Machines électriques (transformateurs, machines tournantes à courant continu ou à courant alternatif) Appareillages électriques (coupure, protection, contrôle, connexion ) Convertisseur on distingue : Le redresseur /= L onduleur =/ Hacheur =/= 2

3 Gradateur / Filtre câble de liaison (transport, distribution, commande, instrumentation, ) I : classification des installations électriques Selon le type de courant o courant continu o courant alternatif selon le niveau de tension o Basse tension : BT U < 1 KV o Moyenne tension : MT 1 KV <U< 60 KV o Haute tension : HT 60 KV <U< 275 KV o Très haute tension : 275 KV <U< 1000 KV o Ultra haute tension : U 1000 KV I : Structure du réseau d alimentation électrique Le réseau national (STEG) d alimentation en énergie électrique comprend quatre parties (la production, le transport, la distribution et l utilisation). L1 L5 L6 L8 MT/BT HT/MT Alternateur MT/BT 3 à 15 KV MT/HT MT/MT L9 L7 L2 L3 L4 (1) : Production (2) : Transport (3) : Distribution (4) : Utilisation Le niveau de tension pour la connexion au réseau électrique (BT, MT ou HT) dépend de la puissance des charges utilisée. 3

4 I : Structure de la distribution Les réseaux de distribution sont classées en trois catégories selon le mode de raccordement du centre de télécommunication au réseau STEG. On distingue : A. Réseau en antenne Charge HT/MT MT/BT MT/BT MT/BT Le raccordement s effectue par simple dérivation. C est le raccordement le plus simple et le moins coûteux mais si un incident affecte le câble d alimentation tous les abonnés situés en aval seront isolés. B. Réseau en boucle HT/MT Charge MT/BT MT/BT MT/BT MT/BT Le réseau en boucle peut se faire à partir d une seule source. Chaque poste de transformation est alimenté par deux voies (lignes) distinctes. Les sectionneurs permettent d isoler le tronçon atteint. 4

5 C. Réseau maillé HT/MT HT/MT MT/BT MT/BT MT/BT Charge MT/BT MT/BT MT/BT Chaque charge (poste de transformation) est alimenté par plus de deux voies distinctes. Le risque de coupure du courant devient très faibles, mais ce mode de raccordement qui est très onéreux n est pas employé en Tunisie pour l alimentation des centres de télécommunication. I 2 : Classification des charges en télécommunication Le fonctionnement des systèmes de télécommunication ainsi que leur environnement nécessite des tensions très diverses. On distingue : A. charges continues équipement de commutation : 5, 12, 24, 48 V équipements de modulation : 25 V équipement de transmission télégraphique : ± 12 V, ± 24, ± 48 télé alimentation (transmission) : 70 ma sous 1400 V B. charge alternative informatique et utilitaire : 50 Hz / 220 V courant d appel : 25 ou 50 HZ / 85 V courant de tonalité : 440 Hz / 3 V 5

6 I 3 : Mode d alimentation des systèmes de télécommunication L installation d énergie d un centre de télécommunication doit permettre une alimentation en permanence des systèmes de commutation de transmission quelque soit l état du réseau de distribution du courant électrique (réseau STEG). Cette permanence de l alimentation est assurée grâce à des batteries d accumulateurs jouant le rôle de réservoir d énergie. Afin de limiter le coût de ce stockage électrochimique, le réseau STEG est secouru par des sources autonomes (groupe électrogène, turbine à gaz ). La chaîne d alimentation se présente comme une succession d équipements réalisant de conversions du courant électrique à trois niveaux : a. le niveau primaire comprend l arrivée de l alimentation (poste de transformation MT / BT sur la ligne STEG et les sources autonomes) et le tableau général basse tension (TGBT) qui sert d interface de raccordement avec le niveau suivant. Exemple : pour le central ELKABAH : 30 KV (1 ou 2 lignes) variation limite de la tension ± 5% et de la fréquence ± 1%. b. Le niveau secondaire comprend les batteries d accumulateurs associées à des convertisseurs statiques pour former l alimentation sans coupure (UPS : Interrupted Power Supply). Il s agit d une source centralisée (appelée station d énergie) qui délivre une tension continue nominale de 48 V sans coupure. La distribution est assurée par l intermédiaire de coffrets auxiliaires appelés armoire d alimentation. Les caractéristiques de cette tension sont : 48 V ± 5 V et positif à la terre (phénomène d électrolyse). c. Le niveau tertiaire regroupe des convertisseurs continu continu et continu alternatif et des générateurs de courants spéciaux permettant de générer les différents niveaux de tension exigés à partir de la tension continue de 48 V. la sécurité de l alimentation électrique est renforcée aux différents niveaux décrits ci-dessus par deux moyens : Une structure modulaire : marche en parallèle, redondance ou commutation normale / secours. Un ensemble d appareillage de coupure, de protection et de commande (sectionneurs, inverseurs, disjoncteurs, relais ). 6

7 7

8 EQUIPEMENTS DE LIGNE II 1 : Appareillage électrique basse tension II 1 1 : règles d installation Les règles d installation prévues par la nome NFC imposent la réalisation pour les circuits d alimentation en énergie électrique les fonctions suivantes : Sectionnement pour la mise hors tension du circuit d utilisation Protection contre les courts-circuits du circuit d alimentation Commande marche / arrêt automatique Protection contre les courants de surcharge Coupure de sécurité ou arrêt d urgence Sectionneur (1) Disjoncteur (2) Contacteur (3) Relais thermique (4) M 3~ Arrêt d urgence(5) 1. Sectionneur : appareil de coupure à vide manœuvrable à la main. Il peut comporter des dispositifs de protection contre les court-circuits. 8

9 2. Disjoncteur : permet la protection contre les courts-circuits. Le dispositif de protection n est efficace que si son pouvoir de coupure est supérieur à la valeur maximale du courant de court-circuit. Symbole du disjoncteur magnéto-thermique Q 3. contacteur : appareil permettant la coupure en charge, il est manœuvrable à distance. 4. relais thermique : permet la protection contre les surcharges (courant supérieur à la valeur nominale).il agit également en cas de coupure d une phase et ceci grâce aux bras différentiels. Symbole F Schéma de commande Schéma de puissance 9

10 Constitution Arrivée du courant Système de déclenchement Réglage du calibre de déclenchement Départ courant Elément bimétallique Contact auxiliaire Bouton de réarmement 5. coupure de sécurité : (arrêt d urgence) assurée par un organe unique, rapidement reconnaissable et facilement accessible mettant hors tension la machine. II 1 2 : Commande marche / arrêt Cette fonction est assurée par un circuit de commande agissant sur le circuit de puissance par l intermédiaire d un contacteur. KM KM 2 RT LD LMN Arrêt d urgence M A M 3 ~ KM1 10

11 II 1 3 : Coordination et sélectivité des protection a. définition : La coordination consiste à placer aux points clés de l installation (arrivée, dérivation, circuits terminaux) des organes de protection (fusibles, disjoncteurs ) capables en cas de surcharge ou de courts-circuits de réagir de façon telle que la surface perturbée du réseau soit la plus faible possible. Une coordination de qualité doit entraîner la réaction (ouverture) de l appareil de protection situé immédiatement en amont du défaut, et de lui seul. Cette capacité, accordée au réseau par le choix judicieux de ses dispositifs de protection, est par ce que l on appelle : la sélectivité. b. Degré de sélectivité : Dans le domaine des protection à maximum de d intensité on distingue deux degrés de sélectivité : la sélectivité totale ou partielle. Sélectivité entre deux disjoncteurs A Icc B Récepteur Récepteur Si seul B s ouvre, quelle que soit la valeur du courant Icc, c est la sélectivité totale. Si B s ouvre jusqu à un courant présumé de court circuit Icc < Icc et ensuite si A s ouvre, donc A et B sont ouverts. C est la sélectivité partielle. Récepteur Récepteur 11

12 Sélectivité entre deux disjoncteurs différentiels dans une installation domestique B A 30 ma 500 ma Récepteur Récepteur Remarque : Les disjoncteurs conçus pour assurer la protection des personnes contre les contacts indirects sont équipés de déclencheur instantané avec des temps de déclenchement constant (30 ms) dès que le courant de défaut est situé dans leur plage de déclenchement. Si Id est compris entre 30 et 100 ma, seul B s ouvre. Si Id > 500 ma, A et B s ouvrent en même temps. Il n y a donc pas une bonne sélectivité. La solution consiste donc à utiliser un différentiel retardé (sélectif) pour A. Récepteur Récepteur Id De ce fait, le différentiel retardé encore désigné par un disjoncteur de branchement différentiel sélectif, doit être placé en tête d une installation où tous les départs divisionnaires (c est-à-dire les circuits alimentant les appareils terminaux) sont protégés par des différentiels instantanés de façon à assurer une bonne sélectivité des protections. c. Techniques de sélectivité : Les techniques de sélectivité se différencient selon le choix des paramètres caractéristiques de l appareil de protection à prendre en compte (valeur du courant de fonctionnement, temps de réponse, type de coupure). En basse tension les deux techniques de sélectivité les plus utilisées sont : la sélectivité ampère métrique la sélectivité chronométrique 12

13 II 1 4 : Principe des disjoncteurs différentiels a. Principe de fonctionnement : Bobine sonde 1 ) cas : pas de défaut I1=I2 Le flux φ1 produit par la bobine 1 est égal au flux φ2 produit par la bobine 2 Le flux résultant dans le tore=0 donc U=0 à la bobine sonde. 2 ) cas : défaut d isolement Le flux φ1 produit par la bobine 1 est supérieur au flux φ2 produit par la bobine 2 : apparition d un flux variable dans le tore et d une f.e.m. induite «e» aux bornes de la bobine sonde ( loi de Lenz ) qui va alimenter un relais, il y aura déclenchement du disjoncteur si le défaut est dangereux pour les personnes. b. Conditions de déclenchement : Le relais doit déclencher lorsque la tension de contact devient dangereuse pour les personnes, il faut tenir compte des tensions de sécurité en fonction du degré d humidité définies par la NORME Exemple : en alternatif Locaux non mouillés : 50v ( habitation ) Locaux mouillés : 25v ( chantiers ) Locaux exposés : 12v ( piscines ) Si Uc > Ul : déclenchement Le disjoncteur différentiel doit déclencher dès que l on a Uc > U l If > Uc / Ru U l tension de sécurité en fonction du local Il existe des disjoncteurs différentiels de Moyenne sensibilité : 1A,650mA,500mA,300mA,100mA Haute sensibilité : 30mA,12mA,6mA c. Choix de la sensibilité : Pour obtenir une protection correcte il faut choisir une sensibilité tel que : 13

14 I < Ul / Ru ; I : sensibilité maximale choisir I inférieur pour obtenir une meilleur protection Exemples : dans une habitation avec locaux mouillés et une résistance de la prise de terre de 37Ω.Quelle devra être la sensibilité du disjoncteur différentiel à utiliser? U l = 25v I = U l / Ru 25 / 37 = 0,675A On prendra le disjoncteur avec une sensibilité de 650mA Dans une habitation avec locaux mouillés, on place un disjoncteur différentiel ayant une sensibilité de 500mA. Quelle devra être la résistance de la prise de terre? Peut-on augmenter ou diminuer cette résistance? Ru = U l / I Ru = 25 / 0,5 Ru = 50Ω Si on augmente la résistance If plus petit donc le disjoncteur ne déclenchera pas. Il faut obtenir Ru < à 50Ω, en pratique Ru = 48Ω maximum II 1 5 : Protection contre les surintensités : On trouve un dispositif magnéto-thermique Constitution Disjoncteur en position ouverture 1 Contacts 2 Dispositif magnétothermique 3 Tore ferromagnétique 4 Bobine détectant I1 5 Bobine détectant I2 6 Bobine sonde 7 Relais de déclenchement 8 Bouton d armement mise en route 9 Bouton arrêt Liaison mécanique Disjoncteur en position fermeture Accrochage 14

15 Chois du disjoncteur Pour choisir un disjoncteur, il faudra tenir compte : - tension d alimentation - sensibilité en fonction du local et de la prise de terre - de l intensité nominale dans le circuit ( calibre ) - pouvoir de coupure Résistance nominale de terre 48Ω 96Ω 80Ω 160Ω Exemples de caractéristiques de disjoncteurs différentiel Tension sensibilité Plage de Calibre de réglage Pouvoir de sensibilité de sécurité bipolaire tétra polairecoupure 24v 48v 24v 48v 500mA 300mA 250 à à 300 5/15 10/30 30/60 10/30 30/60 10/30 30/60 10/30 30/ Ω 800Ω 1600Ω 12v 24v 48v 30mA 15 à 30 10/30 30/60 10/30 30/ Conclusion Le disjoncteur différentiel est constitué de différents éléments qui assurent chacun une fonction Désignation de l élément Contacts Principaux Dispositif Thermique Dispositif Magnétique Dispositif Différentiel Fonction assurée Etablir ou interrompre Protection contre les faibles Surcharges ou surintensités Protection contre les fortes surcharges Et les cours circuits Protection contre les défauts d isolement Par rapport à la terre Symbole Liaison mécanique 15

16 Remarque : on trouve des disjoncteurs sans dispositif différentiel Disjoncteur monophasé différentiel Disjoncteur monophasé Disjoncteur triphasé + neutre différentiel II 2 : Règles de sécurité : II 2-1 : Protection des personnes : a. Normes et réglementation : Dans une installation basse tension la protection des personnes doit être réalisée conformément : Au décret sur la protection des travailleurs Aux arrêtés et notes techniques du recueil UTE C A la norme NFC Aux règles et recommandations spécifiques à l exploitation (exemple : Tunisie télécom. Arabsat, tunis-air, Opat, ). Le non respect de ces prescriptions et textes réglementaires peut être la cause des dangers suivants : Graves accident corporels pour les personnes : brûlures, blessures, asphyxie, mort Détérioration de matériel : incendie, explosion. b. Danger du courant électrique : Le choc électrique ressenti par une personne est dû à l intensité du courant qui le traverse. Ce courant est donné à partir de la loi d Ohm en fonction de la différence de potentiel à la quelle la personne est soumise et la résistance de la personne au passage du 16

17 courant. Cette résistance dépend de la tension de contact, de sa fréquence et de l humidité du corps humain, elle varie entre 325Ω et 5000 Ω. Une personne normale peut supporter sans danger une intensité de 30 ma en courant alternatif et de 50 ma en courant continu. Ces valeurs limites varient en fonction de la personne et de la durée du contact avec le courant. Les accidents d électrocution sont classés en deux catégories en fonction de la nature du contact accidentel. On distingue : Les contacts directs : la personne est en contact avec les parties actives du matériel électrique (conducteurs, pièces sous tension, ) Les contacts indirects : la personne est en contact avec une masse mise accidentellement sous tension à la suite d un défaut d isolement (armoire de distribution, chassie, ) Intensité Durée Influence sur le corps humain 0-1 Indéterminée Pas d influence perceptible 1-15 Indéterminée Contraction des muscles et difficulté à lâcher prise Quelques minutes Douleur à peine supportable, contractions des muscles des bras Difficultés respiratoires, augmentation de la tension artérielle Quelques secondes Quelques minutes < 1 pulsation > 1 pulsation Augmentation de la tension artérielle Inconscience et fibrillation du cœur lors d un contact prolongé, forte contraction des muscles Puissant effet de choc, pas de fibrillation sauf si le passage du courant s effectue lors d une pulsation sensible Evanouissement et fibrillation, marques de courant, mort à court terme possible >500 < 1 pulsation > 1 pulsation Evanouissement, marques de courant, mort instantanée possible Evanouissement, marques de courant, brûlures. Arrêt du cœur avec possibilité de réanimation L effet du courant alternatif sue le corps humain 17

18 c. Protection contre les contacts directs : La norme NFC impose les mesures suivantes : Protection par isolation des parties actives Protection par éloignement Protection au moyen d obstacles (enveloppe, grillages, écrans, ) Verrouillage mécanique ou électrique des enveloppes (porte, panneau, tiroir, ) Les interventions sur le matériel en service doivent être effectuées par un personnel qualifié (emploi de gants, tapis, outils isolés, ) Respect des valeurs des tensions de service d. Protection contre les contacts indirect : Les deux moyens de protection exigés par la réglementation sont : La mise à la terre des équipements : toutes les masses du matériel électrique de l installation et tous les éléments conducteurs accessibles doivent être respectivement reliés à la terre par un conducteur de protection. La coupure automatique de l alimentation : elle doit permettre d éliminer un défaut en un temps d autant plus court que la tension de contact est plus élevée. Le choix des dispositifs de protection pour assurer cette fonction dépend du régime du neutre de l installation électrique. II 2-2 : Mise à la terre : La mise à la terre des équipements permet de contribuer à la sécurité des personnes, la protection du matériel et le bon fonctionnement des systèmes de télécommunication. a. Prise de terre : C est une (ou plusieurs) pièces conductrice enterré qui permet une liaison électrique avec la masse terrestre. Cette prise de terre est considérée comme référence de potentiel zéro et ne doit écouler aucun courant en service normal. Selon la nature du terrain et de la valeur de la résistance de terre exigée, on distingue pour la prise de terre les modes suivants : Piquet vertical, en acier galvanisé ou cuivré, lorsque le sous sol est plus conducteur que la couche superficielle. 18

19 Grillage disposé horizontalement pour les sols rocheux. Boucle à fond de fouille : pour les bâtiments des télécommunications, elle consiste à ceinture le bâtiment avec un conducteur multibrins en cuivre enrobé de plomb (de section 50 mm²) dans la fouille des fondation. La ceinture sans discontinuité est ramenée à l intérieur du bâtiment sous forme de boucles sur des plaques de raccordement. b. Résistance de terre : C est la résistance entre une prise de terre et un point de la terre suffisamment éloigné pour que le potentiel de ce point ne soit pas sensiblement modifié lorsqu un courant s écoule par la prise de terre. Les valeurs de la résistance de terre spécifiées en télécommunication sont : Grand centre : R T 1 Ω Centre satellite : R T 5 Ω II 2-3 : Régime du neutre : Les régimes du neutre caractérisent la présence ou l absence de liaisons électriques entre le neutre, la terre et la masse. Chaque régime du neutre est repérer par deux lettres définies comme suit : Première lettre : situation du neutre par rapport à la terre o T : liaison directe du neutre à la terre o I : absence de liaison du neutre à la terre, ou liaison par l intermédiaire d une impédance. Deuxième lettre : situation des masses de l installation o T : liaison des masses à une prise de terre distincte o N : liaison des masses au neutre Dans la pratique les trois régimes du neutre utilisés sont : a. Neutre à la terre (TT) Le neutre est relié à la terre et les masses sont interconnectées et mises à la terre 19

20 DR I d L1 L2 L3 N I d I d Neutre relié directement à la terre R B I d R A DR : Dispositif différentiel I d : Courant de défaut Masses interconnectées et mises à la terre Avec ce mode, chaque défaut d isolement entraîne une coupure. C est la solution la plus simple à l étude et à l installation et ne nécessite pas de surveillance particulière. La protection des personnes contre les contacts indirectes est réalisée par un disjoncteur à dispositif différentiel à courant résiduel (DDR) à moyenne ou basse sensibilité. b. Mise au neutre (TN) Le neutre et le conducteur de protection (PE) sont confondus et mis à la terre L1 L2 L3 PEN Neutre relié directement à la terre R B Masse reliée au conducteur PEN mis à la terre en différents points de l installation R A Schéma TNC : neutre et conducteur de protection confondus 20

21 L1 L2 L3 N PE Neutre relié directement à la terre conducteur de protection relié au neutre R B Masse reliée au conducteur de protection, conducteur de protection mis à la terre en différents points de l installation R A Schéma TNS : neutre et conducteur de protection séparés Ce mode entraine une coupure de l alimentation au premier défaut d isolement. Le schéma (TN) permet une économie à l installation (suppression d un conducteur) mais nécessite un contrôle périodique de la continuité du conducteur de protection et des prises de terre uniformément réparties dans toute l installation. Ce mode nécesste aussi un vérification obligatoire des déclenchements au premier défaut. Il augmente les risques d incendie du fait des forts courants de défauts. En régime (TN), la protection des personnes contre les contacts indirects se réalise par les dispositifs de protection contre les surintensités. c. Neutre isolé ou indépendant (IT) Le neutre est isolé ou présente une impédance par rapport à la terre, les masses sont interconnectées et mises à la terre. I d L1 L2 L3 N PE R B R A 21

22 Ce mode n entraîne une coupure de l alimentation que pour deux défauts d isolement simultanés. Il nécessite alors une signalisation du premier défaut avec recherche et élimination obligatoire de ce défaut. Ce schéma assure la meilleure continuité de service en exploitation. Pour assurer la protection des personnes il faut surveiller le premier défaut par contrôleur permanent d isolement et garantir une coupure au deuxième défaut par une protection de surintensité (disjoncteur ou fusible). d. Choix d un régime du neutre Les trois régimes sont équivalents sur le plan de la protection des personnes si toutes les règles d installation et d exploitation sont respectées. Le choix du régime du neutre doit résulter d une concertation entre l utilisateur et le concepteur du réseau en tenant compte des : Caractéristiques de l installation Conditions et impératifs d exploitation Recommandations et législation en vigueur (décrets, arrêtés ) Exemple de choix : TT : bâtiments domestiques, petit atelier, établissement d enseignement avec locaux techniques IT : circuits de sécurité, salles d opération des hôpitaux, mines et carrières 22

23 SOURCES D ENERGIE EN TELECOMMUNICATION III 1 Introduction De peint de vue.alimentation en énergie électrique, on distingue les centres de télécommunication raccordés au réseau publique de distribution et les centres isolés. III 1-1 Sites raccordés au réseau publique Dans œ cas, le centre est alimenté par: 1. une ou plusieurs lignes moyenne tension (10 ou 30 KV) avec postes de transformation MT /BT. 2. Des sources autonomes comme alimentation de secours. On distingue: - Le groupe électrogène - La turbine à gaz - Les batteries d'accumulateurs III 1-2 Sites isolés Dans ce cas, le centre est alimenté uniquement par des sources autonomes dont les plus utilisés en Tunisie sont: - Le groupe électrogène - La turbine à gaz - Les batteries d'accumulateurs - Les générateurs photovoltaïques - Les générateurs éoliens Il existe d'autres sources autonomes utilisées en télécommunication mais non utilisées en Tunisie. fi s'agit en particulier des sources suivantes: - Hydroélectricité (nécessite une chute d'eau) - Hydrogène (propre mais cher, danger d'explosion, stockage et transport onéreux) - Charbon et bois (nécessite une supervision continue). - Géothermie (abondante mais conversion difficile) - Biomasse (solution futuriste) - Radioactivité (cher. protection onéreuse) 23

24 III 2 Sources électromécaniques Les sources électromécaniques utilisent le principe de la conversion du travail mécanique en courant électrique. Ces sources sont composées d'une machine électrique (génératrice) entraînée par un moteur mécanique. Il existe différents types de sources selon le type de la machine électrique (machines à. courant continu ou à. courant alternatif) et celui du moteur d'entrain ment (moteur thermique, turbine à. gaz, turbine hydraulique,... ). Nous nous limitons dans ce document au cas du groupe électrogène qui est le plus utilisé comme source autonome en télécommunication. Le groupe électrogène est composé d'un moteur diesel qui entraîne une machine synchrone appelé alternateur, Pour comprendre le fonctionnement de cette source nous commençons par l'étude de l'alternateur. III 2-1 L alternateur III Principe physique Coupe transversale d'un alternateur élémentaire Un alternateur élémentaire (figure ci-dessus) comporte les deux parties suivantes: - Un rotor muni d'un enroulement parcouru par un courant continu" Ii" (courant inducteur ou d'excitation) et entraîné par le moteur mécanique à une vitesse angulaire "Ω". 24

25 - Un stator (fixe) présentant deux encoches dans lesquelles est placé une bobine de "N/2" spires (N: nombre total de conducteurs actifs). a) Champ tournant L'inducteur (rotor) crée dans la machine un champ magnétique à deux pôles (Nord, Sud) qu'il entraîne avec lui dans sa rotation. Le long de l'entrefer l onde de champ est l'ensemble des projections sur tous les rayons de la machine, d'un vecteur" B" dirigé suivant l'axe rotorique. En un point "M" de l'entrefer d'abscisse angulaire" α = (OX, OM)" dans un repère lié au rotor, le champ a pour expression: B M = B cosα Dans un repère fixe (Oy) lié au stator on a: α = θ - ωt et l'expression du champ devient: B M = B cos(ωt - α) Le champ magnétique représente alors une onde progressive. b) f.e.m induite Les conducteurs situés dans les encoches de l'induit (stator) coupent les lignes de champ, donc sont le siège de forces électromotrices (f.e.m) induites: - L : longueur des conducteurs situés dans le champ e = B.l.v avec - V = r.ω : vitesse de rotation linéaire - r : rayon de l'entrefer ce qui nous donne : e = l.r.ω. B cos(ωt - θ) Phase 1: θ (1) = π/2 e l = (N/2).l.r. Ω. B cos(ωt - θ) Phase 2: θ (2) = -π/2 e 2 = - (N/2).l.r. Ω. B cos(ωt + θ) = (N/2).l.r. Ω. B cos(ωt - θ) La f.e.m totale induite dans la bobine est: e = e 1 + e 2 = N. l.r. Ω. B cos(ωt - θ) 25

26 Le vecteur f.e.m «e» est en quadrature retard par rapport au vecteur champ tournant " B" qui lui a donné naissance ((Oy, e) = (ωt - -π/2 )). Cette est caractérisée par : - Sa fréquenœ: f = (ω/2π) = n avec "n" la vitesse de rotation en (tr/s) du rotor. - Sa valeur efficace : E = π 2NlrnB III Alternateur autonome Nous considérons le cas d un alternateur autonome entraîné par un moteur diesel (groupe électrogène). Cet alternateur doit délivrer un système triphasé équilibré de tensions sinusoïdales présentant les deux propriétés suivantes: - Une fréquence constante (f = 50Hz). - Une valeur efficace des tensions (U = 380 V) constante quel que soit le courant débité par l alternateur. Pour obtenir ce fonctionnement l'alternateur industriel est obtenu à partir de l'alternateur élémentaire en ajoutant les améliorations suivantes: a) Enroulement triphasé Le stator comporte trois bobines (1,1 '); (2;2'); (3,3') identiques et régulièrement décalées de 2π/3. On obtient ainsi trois f.e..m "e l, e 2, e 3 " triphasées. Remarque: En général les phases statoriques sont couplées en étoile. b) Machine multipolaire Pour une machine bipolaire (nombre de paire de pôles : p = l), on a : f = n. Donc pour obtenir f = 50Hz il faut avoir n = 50tr / s => n = 3000 tr / mn. Cette vitesse de rotation nécessite pour l'entraînement une turbine à vapeur. Donc cet alternateur ne convient pas aux moteurs diesels qui ont une vitesse plus faible. L'idée 26

27 pour obtenir une fréquence de 50 Hz avec une vitesse inférieur à 3000tr /mn est d'augmenter le nombre de pôles de l'alternateur. Constitution : L'inducteur comporte "p" bobines connectées en série, il crée le long de l'entrefer une onde de champ magnétique présentant "p" pôles Nord et "p" pôles Sud. L'enroulement statorique doit présenter le même nombre de pôles; c.à.d "p" bobines pour chaque phase. Coupe transversale d'un alternateur multipolaire BM = B.cos (pα) BM = B.cos(ωt - pα) Avec ω = p.ω f = p.n ; p : nombre de paires de pôles. c) Schéma équivalent de l'alternateur En régime permanent le fonctionnement de l'induit est décrit par le modèle de Behn-Eschenburg. Le schéma équivalent pour une phase de l'alternateur est le suivant: V : tension simple d'une phase E : f.e.m à vide de l'alternateur Z : impédance synchrone E R jx V Z = R + j. Pour la machine synchrone on a en général R << X Z j X. 27

28 d) Caractéristiques de l'alternateur - Caractéristique externe: C'est la courbe de la tension de sortie en fonction du courant d induit «V = f( I)», tracée à fréquence de rotation constante et à courant d'excitation d'intensité constante. Pour obtenir un fonctionnement nominal, en charge, il faut tolérer à vide une surtension importante quand la charge n'est pas capacitive. - Caractéristique de réglage : C'est la courbe du courant d'excitation en fonction du courant d'induit" Ii = f(i)", tracée à fréquence de rotation constante et à une tension d'induit constante. Pour maintenir constante la tension pour une charge inductive, il faudrait augmenter l'intensité du courant d'excitation. e) Circuit d'excitation Le rotor est un électroaimant tournant qui doit être alimenté en courant continu. Ce courant continu est fourni par un circuit d'excitation qui est basé sur l'utilisation de l'un de ces moyens ( voir figure suivante). - Génératrice à courant continu - Redressement de la tension du réseau - Excitation indépendante: machine reliée au réseau - Auto excitation : alternateur isolé Excitation avec génératrice à C-C Excitation statique en dérivation Exemples de circuits d'excitation f) Régulation de la tension A l'aide des courbes de réglage, il est possible de mettre en oeuvre le circuit qui en fonction du courant débité et du déphasage réglera automatiquement le courant d'excitation à la valeur qui est nécessaire au maintien d'une tension de sortie constante 28

29 III Moteur d'entraînement Le moteur d'entraînement est un moteur à combustion interne (moteur diesel) et à quatre temps qui utilise le "gas-oil" comme carburant. a) Démarrage du moteur Le degré de sécurité de l'alimentation d'un centre de télécommunication dépend de la disponibilité du groupe électrogène. Cette disponibilité repose essentiellement sur la fiabilité des systèmes de démarrage. Les dispositifs de démarrage les plus utilisés sont: le démarrage pneumatique, démarrage électrique et le démarrage par' inertie. b) Préchauffage du moteur Pour faciliter le démarrage du moteur (viscosité de l'huile) et permettre une prise en charge rapide du groupe, on maintient en permanence le bloc moteur à une température voisine de 30 C en insérant des résistances dans le circuit' d'eau et éventuelle- ment sous le carter d'huile. L'alimentation des résistances est prise entre deux phases; un thermostat coupe le circuit de réchauffage lorsque la température de consigne est atteinte. c) Régulation de vitesse La vitesse du moteur d'entraînement détermine la fréquence du courant et impose le nombre de pôles de l'alternateur. Cette vitesse fixée à 1500 tr/mn est au minimum stabilisée à ±:4 % près, entre la marche à vide et la pleine charge, grâce à un régulateur centrifuge à masselottes qui dose le débit du carburant dans la pompe à injection. Il existe par ailleurs des régulateurs à servo commande hydraulique. d) Sécurités Le démarrage automatique et la télésurveillance du fonctionnement des groupes exigent la présence d'organes de contrôle et de détection destinés à provoquer l'arrêt automatique du moteur. Il s'agit de surveiller en particulier les températures d'eau et d'huile. la pression d'huile, et la vitesse de rotation. 29

30 LES CONVERTISSEURS STATIQUES IV 1 : Fonction principale : Les convertisseurs statiques ont pour fonctions principales : o transformation, o conversion, o distribution de l énergie électrique Ils assurent la transformation du courant alternatif en courant alternatif, du courant alternatif en courant continu ou vice versa ou du courant continu en courant continu. Ils sont employés avec les réseaux de distribution d énergie électrique ou des systèmes d alimentation similaires. Les convertisseurs statiques sont des montages d'électronique de puissance qui assurent la conversion de l'énergie électrique. La puissance de sortie est aux pertes près égale à celle d'entrée seule la présentation est modifiée. Les montages de base des convertisseurs statiques sont: le redresseur, le hacheur, l'onduleur et le gradateur. Le fonctionnement de ces montages est basé sur la commutation de courants entre mailles adjacentes de circuits électriques. Cette commutation est assurée par des interrupteurs à deux états (ouvert, fermé). Ces interrupteurs sont des semi-conducteurs de puissanœ utilisant les propriétés de conduction unidirectionnelle des jonctions P- N. Les composants actifs utilisés sont: les diodes, les transistors, les thyristors et les triacs. IV 2 : Les redresseurs Les redresseurs assurent le conversion du courant alternatif en courant continu. Dans le centre d'énergie les redresseurs constituent avec les batteries d'accumulateurs une source d'énergie centralisée délivrant la tension de 48 V. L "étage redresseur comporte essentiellement les circuits suivants: Un transformateur d'alimentation Un pont de redressement Un filtre de sortie Un dispositif de régulation de tension et de limitation d'intensité a) Classification des redresseurs: Les montages redresseurs sont classés comme suit: 30

31 Selon la tension du côté alternatif: en redresseurs monophasés et triphasés. Selon la forme d'onde du côté continu: en redresseurs simple alternanœ (ou demi~onde) et redresseurs double alternanœ (ou pleine onde). Selon le type des composants de puissance utilisés: en redresseurs non commandés (t9ut diodes), redresseurs commandés (tout thyristors) et redresseurs semi- commandés (ponts mixtes: diodes et thyristors). Chaque type de redresseur est définit par sa topologie (schéma électronique).la caractérisation d'un montage redresseur nécessite l'étude des grandeurs suivantes: Ondes courant et tension du côté de la charge pour vérifier la qualité de redressement obtenue (conformité au cahier des charges). Ondes courant et tension aux bornes des semi-conducteurs de puissance pour leur dimensionnement. Ondes courant et tension du côté alternatif pour analyser la pollution provoquée sur le réseau alternatif. b) Redressement monophasé simple alternance: La topologie du montage ainsi que les formes d'ondes relatives à ce type de redressement sont présentées sur le schéma de la figure suivante pour une charge résistive. Ce type de redresseur est caractérisé par les grandeurs suivantes: La valeur moyenne de la tension de charge : U rmoy = Um / π La valeur efficace de la tension de charge : U reff = Um / 2 Le facteur de forme de la tension de charge: F f = U reff / U rmoy = π / 2 31

32 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 La tension inverse maximale aux bornes de la diode de puissanœ : Vdim=Um c) Redressement monophasé double alternance: Le redressement double alternance peut être obtenu avec un montage à point. milieu ou en pont de Graëtz. Sur une charge résistive les grandeurs caractéristiques sont: La valeur moyenne de la tension de charge: U rmoy = 2Um / π La valeur efficace de la tension de charge : U reff = Um / 2 Le facteur de forme de la tension de charge: F f = U reff / U rmoy = π / 2 2 La. tension inverse maximale aux bornes d'une diode de puissance : VDim = Um Le développement en série de FOURIER de la tension redressée permet de déterminer le taux d'ondulations : TO = U reff / U rmoy 0.48 Comparaison des deux montages: Pour un même rapport de transformation.. la tension moyenne de charge est deux fois plus élevée dans le montage en pont. Pour une valeur crête "Um" de la tension redressée, la tension inverse maximale aux bornes d"une diode est deux fois plus grande dans le montage à. point milieu. Compte tenu des chutes de tension directes dans les diodes, le montage à. point milieu présente un rendement plus élevé que le montage en pont, particulièrement en basse tension. 32

33 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 d) Redressement triphasé simple alternance: La topologie du montage ainsi que les formes d'ondes relatives à ce type de redressement sont présentées sur le schéma de la figure ci-dessus pour une charge résistive. A tout instant c'est la diode dont le potentiel d'anode est le plus élevé qui conduit, d'où une extinction naturelle et une commutation naturelle d'une diode vers la sui- vante. Chaque diode conduit pendant un tiers de période. La tension redressée pré- sente trois maximums par période, d'où une ondulation de fréquence trois fois la fréquenœ du côté alternatif. La valeur moyenne de la tension de charge : V Lmov = (3 3 Vm) / 2π La tension inverse maximale aux bornes d'une diode de puissanœ : V Dim = 3 Vm Ce type de redressement qui est très simple n'est pas utilisé dans les redresseurs de puissanœ car le courant primaire est très déformé. e) Redressement triphasé double alternance: Dans le cas d'une charge résistive (voir figure ci-dessous), deux phases et deux diodes en série, débitent à tout instant le courant de charge i L. Le courant est bidirectionnel dans chaque enroulement secondaire. 33

34 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 A tout instant la tension continue instantanée de charge «V L» est la plus grande des différences entre les trois tensions de phase «VI, V2, V3» La tension redressée présente 6 maximums par période d'où une ondulation de fréquenœ "6f. Le facteur de forme est très voisin de 1 et le taux d'ondulation est très faible, La valeur moyenne de la tension de charge : VLmov = 3 Um / π ; Um = 3 Vm La tension inverse maximale aux bornes d'une diode de puissance: V Dim = Um f) Redressement commandé: Dans les installations industrielles, il est toujours nécessaire de stabiliser la tension de sortie à la valeur désirée. Avec les montages à diodes, cette stabilisation nécessite l'association de dispositifs électromagnétiques ou électromécaniques qui ajustent autbmatiquement la tension d'entrée. Redressement monophasé (Pont mixte) Redressement triphasé (Pont mixte) L'utilisation des composants commandables tels que les thyristors et les transistors permet de stabiliser directement la tension de sortie en contrôlant la conduction. En télécommunication, on utilise généralement des redresseurs commandés en ponts mixtes (voir figure ci-dessus) associant des diodes et. des thyristors. 34

35 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 En appliquant une impulsion positive sur l'électrode du thyristor (gâchette) lorsque sa tension Anode-Cathode est positive, le thyristor s'amorœ, Le thyristor ne se bloque qu'après annulation du courant direct qui le traverse. On contrôle la tension moyenne redressée en agissant sur l'angle de retard à l'amorçage. g) Bruit et perturbations : La commutation forcée des thyristors donne naissanœ à. des oscillations "haute fréquenœ" (entre 100 KHz et 1 MHz) susceptibles de perturber les transmissions radioélectriques ou le fonctionnement des autres équipements dans l'espace voisin du redresseur. Les redresseurs, qui alimentent les équipements terminaux (postes) et les liaisons urbaines (circuits HF), sont susceptibles de provoquer un bruit audible (ronflement) lorsque l'ondulation de redressement, ou l'un de ses harmoniques, sort des limites prescrites (tensions alternatives admissibles sur l'alimentation 48 V C-C). Pour atténuer les perturbations, par rayonnement, des dispositions sont prises au niveau du montage redresseur (circuits RC, blindages,...). Les perturbations par conduction dans les câbles d'alimentation sont atténuées par des dispositions prises au niveau du transformateur d'alimentation (découplage entre le primaire et le secondaire, condensateurs d'antiparasitage,...). IV 3 : Les onduleurs Nous allons présenté l'onduleur autonome. Ce type de convertisseur assure la transformation continu-alternatif quand du côté alternatif il n'y a que des récepteurs. C'est l'onduleur qui impose la fréquence et la forme d'onde de la tension alternative fournie à la charge. Selon la nature de la tension de sortie on distingue les onduleurs monophasés et, les onduleurs triphasés. Selon le mode de fonctionnement fréquentielles onduleurs sont classés comme suit : Onduleurs à fréquence fixe: pour les alimentations électroniques. Onduleurs à fréquence variable: pour la commande des machines électriques. Onduleurs d'entretien de circuits oscillants (exemple: fours à induction). Dans les œntres de télécommunication, on utilise des onduleurs monophasés autonomes à fréquence fixe de puissance comprise ente 1 et 10 KVA. Selon le nombre 35

36 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 d'interrupteurs (semi-conducteurs de puissanœ) il existe deux types de montages : l'onduleur à point milieu et l'onduleur en pont. 1 ) Onduleur monophasé à point milieu: L'onduleur à point milieu permet d'obtenir une tension alternative à partir d'une tension continue en utilisant deux interrupteurs de puissance. Selon l'emplacement du point milieu on distingue les deux structures suivantes: - Onduleur à point milieu du côté sortie avec un transformateur à point milieu. - Onduleur à point milieu à l'entrée grâce à une source continue à point milieu. La première structure est la mieux adaptée aux applications en télécommunication. Onduleur monophasé à point milieu 2 ) Principe de fonctionnement: La fermeture du thyristor "Thl" doit provoquer l'ouverture de "Th2" pour ne pas avoir un court-circuit. Remarque: Les onduleurs dans le centre d'énergie alimentent principalement des charges à. caractère inductif (R,L) ce qui nécessite de brancher en parallèle de chaque thyristor une diode de puissance. Ces diodes dites de "roue libre" permettent de récupérer l'énergie emmagasinée dans le circuit inductif. IV 4 Les hacheurs Ce sont des convertisseurs continu-continu qui permettent de faire varier la valeur moyenne du courant continu de charge. Cette fonction est obtenue en modifiant de façon périodique les connexions entre la source continue et la charge continue. 36

37 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 Deux familles de convertisseurs continu-continu. faisant appel au même principe du découpage de la tension d'alimentation, sont utilisées dans les télécommunications : - Les convertisseurs régulés en tension ou à tension constante qui alimentent les systèmes de commutation électronique et les équipements MULTIPLEX en transmission analogique ou numérique. - Les convertisseurs régulés en intensité ou à intensité constante qui servent à la télé alimentation des liaisons analogiques ou numériques sur paires coaxiales et sur paires symétriques. a) Convertisseur à tension constante: Ce convertisseur est destiné à assurer les fonctions suivantes - Adapter et stabiliser la tension de sortie compte-tenu des variations de la tension d'entrée et de la charge. - Se protéger contre les surcharges et les courts-circuits d'origine externe par une limitation du courant de sortie. - Assurer une isolation galvanique entre la source d'énergie et l'utilisation (transformateur). - Convertir l'énergie avec un très bon rendement - Délivrer une tension dépourvue d'harmoniques notamment dans la bande des fréquences vocales. - Fonctionner avec un niveau de bruit acoustique négligeable, compte tenu du nombre de convertisseurs incorporés dans les systèmes (plusieurs centaines). - Ne pas provoquer des perturbations électromagnétiques par rayonnement ou par conduction. Différentes structures de convertisseurs existent mais le montage "PUSH- PULL" ci-dessous reste le plus utilisé avec les équipements de télécommunication. Les transistors de puissance qui sont commandés alternativement fonctionnent en commutation. 37

38 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 Principe du convertisseur à découpage La valeur moyenne de la tension à la sortie du filtre est : Us = αku E ; Avec «α» le rapport cyclique et "k" le rapport de transformation. La régulation par découpage consiste à agir directement sur la largeur des signaux pour stabiliser la tension de sortie et limiter l'intensité conformément à la caractéristique "Us = f(is)". b) Convertisseur à intensité constante: Il est basé sur le même principe de fonctionnement que le convertisseur à tension constante. Par contre, c'est le courant de sortie qui est stabilisé et la tension de sortie qui est limitée conformément à la caractéristique" Is = f(us)". Constitution d'un équipement de télé alimentation: L'équipement de télé alimentation se compose de deux parties: - La partie puissanœ fournie la tension continue d'alimentation par deux convertisseurs montés en parallèle et en partage de charge. Si l'un est en panne l'autre continue d'assurer la télé alimentation. - La partie alarme, sécurités et commandes qui comprend les dispositifs de mise en parallèle des sources, les automatismes de commande, les appareils de mesure et les dispositifs de disjonction et de signalisation. Utilisation des équipements de télé alimentation: Le courant continu régulé (70mA, 120mA,...) alimente les amplificateurs ou les régénérateurs à partir de l'une ou des deux extrémités d'un tronçon de câble. Ce courant d'alimentation est superposé au signal multiplex et est amené sur les conducteurs actifs grâce à des filtres d'aiguillage voir figure cidessous. 38

39 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 Schéma de principe de la télé alimentation Le choix et la disposition des sources d'extrémités dépendent de la longueur du tronçon principal d'amplification et de la bande passante de la liaison. c) Les générateurs de courants spéciaux: Les générateurs de courants spéciaux sont destinés principalement à délivrer le courant d'appel, les différentes tonalités de manœuvre et les cadences nécessaires au fonctionnement des autocommutateurs de type électromécanique ou électronique à l'exception des systèmes temporels. Synoptique général d'un onduleur d'appel en pont 39

40 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 Le générateur de courants spéciaux assure ces différentes fonctions grâce aux sources suivantes qui le compose: - Une source de tension alternative (~ 85V) à 25 ou 50 Hz (courant de sonnerie des postes d'abonnés). - Une source de tension alternative (~ 3V) à 440 Hz ( tonalité d invitation à numéroter, retour d'appel. Occupation, ). - Un générateur de séquences, en logique câblée associée à des amplificateurs, qui délivre les cadences d'appel, retour d'appel, occupation,... Différents montages électroniques sont utilisés pour la réalisation de ces sources incorporées. Nous nous limitons à la présentation d'une configuration pour l'onduleur d'appel.. d) Onduleur d appel: C'est un onduleur de faible puissance (30 à 500 VA) qui utilise le principe du découpage HF (f > 20Khz) de la tension continue d'entrée (-48 V) avec une structure " push-pull" ou en "pont" ci-dessus. Remarque : A l'origine, ces courants spéciaux étaient produits par des convertisseurs électromécaniques (ensemble: moteur-alternateur- génératrice - cadenceur mécanique) appelés"machines d'appel". 40

41 Z. BEN ABDALLAH 10/2004 EXPLOITATION ET MAINTENANCE V 1 : REGLES ET RECOMMANDATIONS L'exploitation recouvre toutes les opérations visant à surveiller et à assurer le fonctionnement de l'installation dans un environnement climatique (température, humidité,...) et atmosphérique (altitude, atmosphère saline,...) défini par les spécifications techniques. Les contraintes d'exploitation des installations d'énergie peuvent être considérablement réduites en appliquant les recommandations suivantes: - remplacement des organes électromécaniques par des dispositifs électroniques command ables par des fonctions logiques, - Automatisation intégrale de toutes les fonctions de commande, de surveillance et de commutation, - Disponibilité des sources d'alimentation aux différents niveaux. - Classification et centralisation des alarmes. La maintenance des équipements d'énergie, en cours d'exploitation, est d'une importance capitale compte-tenu des graves perturbations qui peuvent aller jusqu'à l'arrêt total du trafic téléphonique. Des consignes de maintenance sont édictées sous forme d'instructions par l'opérateur ("Tunisie Télécom" en Tunisie). Les recommandations générales de maintenance sont: - s'intéresser à la maintenance préventive (ou programmée). - se limiter aux seules opérations indispensables pour préserver le bon fonctionnement de l'ensemble de l'installation. - selon le mode de fonctionnement de l'équipement, les opérations d'entretien doivent être conduites successivement ou simultanément. - détecter rapidement les défaillances des composants électroniques et des organes électromécaniques et électromagnétiques. - renforcer la surveillance des installations pendant la première année de fonctionnement (période de garantie). 41