ENERGIE ELECTRIQUE. Alimentation en énergie des installations de pompage

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1 214 ENERGIE ELECTRIQUE Si l'on dispose d'un d'accès facile et sûr à une source d'alimentation en énergie électrique, aucune autre solution ne serait autant commode et rentable pour la mise en marche d'une pompe d'irrigation. Malheureusement, la majorité des agriculteurs des pays en développement n'ont pas accès au réseau électrique, de plus ceux qui ont cette chance se plaignent souvent de la fiabilité du réseau d'alimentation. Les problèmes de l'insuffisance de l'énergie électrique se posent particulièrement durant la saison d'irrigation. En effet, tous les agriculteurs mettent en marche généralement tous en même temps les installations de pompage pour l'irrigation dans une zone donnée, ce qui provoque la surcharge du réseau de distribution électrique rural souvent mal calculé, des chutes de tension excessives et même une coupure du courant électrique. Pour cela, la plupart des compagnies de production et de distribution de l'électricité font toujours face à des problèmes majeurs dans leurs efforts visant à promouvoir l'adoption de l'énergie électrique comme source principale de l'énergie pour le pompage d'irrigation dans les pays en voie développement. Ces problèmes sont d'autant plus graves si d'ores et déjà le réseau de distribution électrique est surchargé. Le coût réel pour la mise en place d'un réseau électrique est très élevé, généralement de l'ordre de 5000 à dollars par km de ligne (1986). La tendance actuelle dans certains pays en voie de développement est de subventionner la vente de l'électricité quelle que soit la tarification adoptée par la compagnie d'électricité, mais en fin de compte c'est la collectivité qui paie et l'on a tendance actuellement à supprimer ces subventions. C'est pourquoi, bien qu'un moteur électrique soit intrinsèquement de loin meilleur marché et particulièrement commode à l'usage en tant que machine motrice, il ne serait réellement avantageux que s'il alimente un réseau bien conçu. Normalement ce réseau est à fort capital d'investissement devant transporter l'énergie électrique nécessaire pour satisfaire correctement la demande afin de pour pouvoir assurer l'auto financement de l'exploitation du réseau à partir des recettes de vente de l'électricité. Un autre problème spécifique des pays en voie développement qui veulent exécuter des projets de développement du réseau d'énergie électrique, c'est celui du manque de devises étrangères nécessaires à l'importation des équipements nécessaires. Cette part est d'environ 50 à 80% du coût total d'après Fluitman [35] (citant une source de la Banque Mondiale). La production de l'électricité dans les régions rurales des pays en voie développement est généralement assurée par des centrales au fuel (normalement des générateurs diesel) et cela constitue une charge supplémentaire à l'économie nationale. C'est ainsi que la fraction importante des importations pétrolières dans la plupart des pays en voie développement est consacrée à la production d'électricité. L'intérêt de l'électrification rurale comme projets de développement est donc mis en cause de plus en plus à l'heure actuelle (par ex. [35]). Nous n'avons cependant pas l'intention de traiter ici des implications au niveau des politiques de développement ou des répercussions macro-économiques de l'utilisation généralisée de l'électricité pour l'irrigation, mais plutôt de souligner qu'elle ne peut être considérée comme une solution universelle pour toutes les installations de pompage. D'ailleurs la plupart des pays n'auront pas, au moins dans l'immédiat, les moyens d'assurer la couverture complète de toutes leurs régions rurales en électricité. D'autre part, même au cas où cette option s'avère être possible avec les moyens disponibles, il y a lieu néanmoins de voir si elle offre le meilleur rapport coût-efficacité pour l'irrigation par pompage, et ce compte tenu des coûts d'installation propres qui sont trop élevés.

2 Les machines élévatoires 215 Sources et types d'énergie électrique Les accumulateurs fournissent un courant électrique régulier appelé "courant continu". Les cellules photovoltaïques permettent elles-aussi d'obtenir du courant continu. Les générateurs de courant continu (ou génératrices) sont parfois appelés "dynamos". Ces génératrices sont constituées d'un rotor tournant à balayage en cuivre et de balais en charbon fixes. Les alternateurs sont actuellement d'un emploi courant pour la production de l'électricité à partir de l'énergie mécanique de rotation d'un arbre. Les alternateurs sont plus simples et moins coûteux que les génératrices à courant continu, mais ils fournissent une tension qui change de signe plusieurs fois par tour du rotor. Ce type d'énergie électrique, d'un usage presque universel comme source d'énergie principale, est connu sous le nom de "courant alternatif" (CA). La tension d'un secteur à courant alternatif varie normalement depuis une valeur positive maximale jusqu'à une valeur négative maximale en valeur absolue, ainsi de suite, 50 fois par seconde (50 Hz ou 50 cycles /s), et dans certains cas 60 fois (60 Hz). L'intensité varie aussi de la même manière. Dans certains cas l'intensité et la tension ne sont pas en phase, ce qui signifie que leurs valeurs de crête ne coïncident pas. Ce déphasage (ou différence de phase) est mesuré par le "facteur de puissance". La puissance fournie par un réseau de CA est le produit de l'intensité mesurée en ampères et de la tension mesurée en volts et du facteur de puissance. Lorsque l'intensité et la tension sont parfaitement en phase, le facteur de puissance est égal à l'unité. Si le facteur de puissance est inférieur à 1 ( 0,9) alors la puissance disponible est réduite dans les mêmes proportions pour une même puissance nominale donnée du réseau. D'autre part la puissance nominale des appareils à courant alternatif est indiquée non pas en watts ou en kilowatts (kw), mais en voltampères ou en kilovolt-ampères (kva). La puissance réelle en kw sera donc égale à la puissance nominale en kilovolt-ampères multipliée par le facteur de puissance. D'autre part, il ne faut pas oublier qu'en règle générale, le transport de l'électricité à longue distance est nettement plus économique à haute tension plutôt qu'à basse tension. Pour un coefficient de transmission donné, il faut toujours utiliser des sections de câbles les plus faibles possibles. Tel est également le cas pour le transport de faibles débits d'eau à haute pression qui se fait par des canalisations de faibles diamètres pour une même puissance hydraulique. Toutefois, le courant électrique présente un danger mortel aux tensions CA bien supérieures à 240 volts et aux tensions CC bien supérieures à 100 volts. Les risques d'accident mortels peuvent aussi se produire à des tensions plus faibles selon les cas en fonction de l'état de santé de la personne atteinte, ce qui fat que les moyens d'isolement deviennent alors plus difficiles à réaliser. C'est pourquoi, pour des raisons de sécurité, les tensions de 240 volts CA ou d'environ 110 volts CC sont considérées comme valeurs maximales à ne pas dépasser pour l'alimentation des appareils électriques et pour l'éclairage domestique. Le courant alternatif est généralement employé pour alimenter le réseau de distribution électrique, au lieu du courant continu. Il présente en effet un certain nombre d'avantages importants: les génératrices et les moteurs CA sont nettement plus simples et moins coûteux et de fonctionnement plus fiable, puisqu'ils n'ont pas besoin de commutateurs;

3 216 les tensions peuvent être facilement modifiées et avec une grande fiabilité et ce au moyen de transformateurs, alors que la transformation des tensions CC est techniquement beaucoup plus délicate. Il est donc plus facile de transporter le courant alternatif avec une ligne haute tension, avec un bon rendement de transmission, puis de le transformer en basse tension juste au niveau de l'utilisation; compte tenu des avantages que présente le courant alternatif, il est devenu la norme internationale pour l'alimentation en énergie électrique. Pratiquement tous les appareils électriques production industrielle sont conçus pour fonctionner au courant alternatif. Il est parfois indispensable de transformer le courant alternatif en courant continu ou vice-versa. Par exemple, pour charger des accumulateurs (qui fonctionnent en courant continu) à partir du courant alternatif, ou bien pour faire fonctionner un appareil électrique à courant alternatif si l'on dispose d'une source d'alimentation en courant continu tel que accumulateur ou bien une batterie de cellules solaires photovoltaïques. Il est très facile de transformer le courant alternatif en courant continu au moyen d'un redresseur. Ces dispositifs (comme les transformateurs) sont à base de semiconducteurs,ils n'exigent aucun entretien, et leur rendement est relativement bon. Un chargeur à courant continu comprend habituellement un transformateur, pour baisser la tension d'alimentation à la tension de l'accumulateur, et un redressera pour \e transformer (écrêter la partie négative) le courant alternatif basse tension en courant continu. La conversion d'un courant continu en courant alternatif est plus délicate et elle se fait traditionnellement à l'aide d'un dispositif électromécanique de rendement médiocre appelé convertisseur. Il s'agit d'un moteur à courant continu directement accouplé à un alternateur. La version moderne des convertisseurs est un dispositif à semi-conducteur connu sous le nom "d'onduleur". Le coût de ce dispositif est abordable pour les faibles puissances d'utilisation (alimentation de petits tubes fluorescents), par contre ils sont relativement coûteux lorsqu'il s'agit de puissances plus importantes à savoir pour l'alimentation des moteurs électriques pour l'irrigation par pompage. La qualité et le prix des onduleurs sont également très variables. S'il faut absolument disposer d'une source alternative de bonne qualité (à rendement de conversion élevé), un dispositif plus complexe et plus coûteux serait alors indispensable. Les onduleurs bon marché fournissent généralement un courant alternatif de qualité moyenne et leur rendement est assez médiocre. De plus, ils peuvent également bien perturber la réception des émissions radio et de télévision se trouvant dans le voisinage. Courant alternatif du réseau électrique Le courant électrique du secteur est généralement un courant alternatif (CA) fourni à 220 à 240 volts et à une fréquence de 50 Hz, ou bien de 110 volts à une fréquence de 60 Hz pour l'alimentation en basse tension (y compris l'alimentation des ménages) jusqu'à une utilisation de 10 kw environ. La norme de V / 50 Hz est couramment employée en Europe, tandis que la norme 110 V / 60 Hz est en vigueur aux Etats-Unis. Les deux normes sont aussi adoptées dans les autres pays du monde, cependant la norme volts est la plus répandue, en particulier en Asie et en Afrique. Le CA est fourni par deux fils électriques est appelé courant monophasé. Les fils ne sont pas appelés "positifs" et "négatifs", mais "phase" et "neutre". Il doit y avoir toujours un

4 Les machines élévatoires 217 troisième fil prévu pour plus de sécurité qui est le fil de terre ou de mise à la masse. Ce fil est normalement relié au boîtier de l'appareil électrique ou du moteur utilisé, de sorte que si une fuite quelconque interne de courant s'établit entre le boîtier et la source d'alimentation en électricité, ce courant de fuite sera canalisé vers la terre (masse), provoquant la coupure du courant ou bien la rupture du fusible. Ainsi, quand une pompe électrique disjoncte fréquemment ou bien fait sauter les fusibles, il est vivement conseillé de vérifier si l'appareil est le siège d'un courant de court-circuit. La production de l'énergie électrique se fait généralement sous la forme d'un courant "triphasé", en ce sens que l'alternateur fournit trois phases CA "monophasées" par trois fils distincts. Chaque phase est décalée d'un tiers de tour de l'alternateur, de telle sorte que les tensions de crête des trois phases ne sont pas simultanées mais régulièrement déphasées. Si les trois phases sont équilibrées et à charges égales, le courant total de retour des trois phases serait nul. Mais en pratique, l'équilibre n'est jamais parfait, et il y a normalement un courant de retour dans un quatrième conducteur appelé neutre. Une alimentation CA monophasée est constituée simplement d'une connexion à l'un des trois "Fil sous tension" ou phase d'une source triphasée, et d'un conducteur de retour relié au neutre de cette source. Par suite, il est très important de ne pas confondre la phase avec le neutre. De plus la protection par fusibles ou par disjoncteurs doit être toujours placée sur le fil de phase. Pour certaines utilisations de puissances supérieures à 5 kw, et d'une manière générale pour des puissances supérieures à 25 kw environ, l'emploi du courant alternatif triphasé est le plus courant. Il est fourni dans la plupart des cas sous une tension entre phases de 415 V (Europe) ou bien de 190 V ou de 440 V (Etats-Unis). Les moteurs électriques Un moteur électrique constitue semble-t-il la machine motrice idéale pour une pompe. Il suffit de manoeuvrer un interrupteur pour mettre le moteur en marche et l'eau est fournie à un débit constant tant que le moteur est en marche. Les moteurs électriques ont une durée de vie relativement longue et ils ne requièrent en règle générale que très peu ou pratiquement pas d'entretien. Le moteur électrique le moins cher et le plus simple est le moteur à induction asynchrone à cage d'écureuil principalement utilisé comme une source principale d'alimentation en énergie électrique (voir figure 104 (a) et figure 105). Comme il n'y a pas de connexions électriques sur la partie tournante de la "cage d'écureuil", il n'y a ni balais, ni bague collectrice sujette à l'usure devant être remplacée de temps à autre. Ce type de moteurs est disponible en triphasée ou en monophasée. Ces moteurs tournent à une vitesse constante en fonction de la fréquence du courant d'alimentation et du nombre des pôles des enroulements du stator. Le type de moteur le plus courant (et de meilleur marché), tourne à une vitesse nominale de 1500 tr/min. à 50 Hz (1800 à 60 Hz), mais on trouve également d'autres versions à vitesses de rotation différentes. Le moteur est normalement accouplé indirectement à la pompe au moyen d'un dispositif de transmission (figure 105). Il est toujours possible d'utiliser des moteurs à vitesse de rotation non standard en cas de difficulté d'adaptation à la pompe. Autrement dit, on peut installer un réducteur de vitesse à courroie tel que celui de la figure 106.

5 218 Le problème majeur des moteurs à induction asynchrone c'est qu'au démarrage le courant électrique nécessaire est normalement trois fois plus fort que celui en régime normal à la vitesse et à la puissance nominales. Autrement dit, il faut disposer d'un courant d'intensité maximale supérieure à celle nécessaire en fonctionnement normal, ce qui pose souvent des difficultés non seulement techniques, mais également financières, car dans certains pays la tarification de l'électricité est établie en fonction de l'intensité nominale maximale souscrite. Récemment, des dispositifs électroniques de démarrage ont été introduits pour limiter l'intensité du courant au démarrage et la prise en vitesse nominale du moteur, et d'autre part pour améliorer dans certains cas le rendement global d'un moteur électriqueutilisateurs soient. Les moteurs ont généralement un rendement de 75% pour des puissances d'environ 300 watts (0,5 CV) et de 85% pour des puissances d'environ 10 kw (à condition que le facteur de puissance soit égal à 1). Ces moteurs ne sont pas fabriqués pour des puissances nettement inférieures à watts. Le moteur connu sous le nom du "moteur universel" est d'un usage très courant pour les utilisations de petite taille (voir figure 104 (b)). Il s'agit là d'un moteur électrique classique, avec un collecteur à balais et un bobinage d'induction. Le bobinage fixe crée le flux électromagnétique nécessaire au fonctionnement du moteur. Les moteurs de ce genre fonctionnent soit en CA ou bien en CC et ils sont généralement destinés pour l'alimentation des appareils domestiques de faible puissance (machines outils simples, et les instruments domestiques). Leur rendement dépasse celui d' un très petit moteur à induction, et l'intensité du courant au démarrage est inférieure à l'intensité du courant en régime permanent. Toutefois, leur inconvénient c'est d'exiger le remplacement périodique des balais en cas d'utilisation intensive, notamment comme dans les installations d'irrigation par pompage. FIGURE 104 Principaux types des moteurs électriques

6 Les machines élévatoires 219 FIGURE 105 Moteur électrique accouplé directement à une pompe centrifuge FIGURE 106 Pompe à piston entraînée par une courroie et actionnée par un moteur électrique (Climax) (noter la présence de cloches d'air destinées à empêcher les coups de bélier)

7 220 L'utilisation à petite échelle de l'énergie électrique peut être assurée indépendamment du secteur électrique. En effet, l'énergie électrique peut être obtenue à partir d'une source à courant continue telle qu'une batterie de cellules photovoltaïques ou bien d'une batterie d'accumulateurs chargés par une génératrice éolienne. Dans ce cas, la solution la plus rentable serait celle d'un moteur à courant continu à aimant permanent (figure 104(c)). Dans ce type de moteurs, des aimants permanents remplacent le bobinage inducteur. Ils sont d'un rendement meilleur particulièrement quand ils ne fonctionnent pas en pleine charge et lorsque les enroulements inducteurs absorbent une fraction notable de la puissance soutirée. Le rendement des moteurs CC à aimant permanent peut atteindre 75 à 85%, même à des puissances nominales faibles de l'ordre de watts, comme c'est le cas dans les plus petites installations de pompage à énergie solaire. La plupart des moteurs à aimant permanent sont munies d'un induit ou rotor à collecteurs/balais, tout comme le moteur universel. Or, il s'agit là d'un inconvénient majeur pour le pompage de l'eau avec des groupes motopompes immergés. Toutefois, des moteurs à aimant permanent sans balais (figure 104(d)) ont été récemment mis au point. Ces moteurs comportent des aimants fixés au rotor, tandis que les enroulements du stator sont traversés par un courant alternatif de fréquence variable, de manière à s'adapter à la vitesse de rotation. L'adaptation de la vitesse est assurée au moyen d'un capteur de position installé sur le rotor qui mesure la vitesse et détermine la position de l'arbre, ce capteur commande un circuit électronique à alimentation DC pour assurer la fonction de commutation. Ce type de moteurs a une qualité mécanique du même niveau que le moteur à induction, et ils peuvent, le cas échéant, être scellés en permanence à une pompe immergée. Cependant, ils sont toujours fabriqués en nombre limité, et ils

8 Les machines élévatoires 221 doivent être munis d'un commutateur électronique sophistiqué d'un coût relativement élevé (à la date de la rédaction de cette publication). Avec l'utilisation de plus en plus croissante des pompes solaires, ces moteurs pourraient devenir d'un emploi plus courant et sans doute à un prix plus abordable. Les groupes motopompes immergés, à moteurs à induction CA ou moteurs CC à aimant permanent, sont normalement remplis d'eau (propre et non corrosive). 11 s'ensuit que la pression appliquée aux joints d'étanchéité serait mieux équilibrée de plus l'eau ne plus s'introduire aussi facilement les moteurs remplis d'air à la pression atmosphérique. Seuls les moteurs sans balais peuvent être installés en contact avec l'eau, tandis qu'avec les autres on court le risque des courts-circuits. Un autre avantage des moteurs remplis d'eau c'est qu'ils sont mieux protégés contre un échauffement excessif. Sécurité électrique Les différences de potentiel alternatif de plus de 110 volts environ et les différences de potentiel continu supérieures à 80 volts pourraient constituer un danger mortel particulièrement si le courant emprunte un circuit favorisé par l'eau en présence. Par conséquent il faut être trop prudent lorsque l'énergie électrique est utilisée avec l'eau, et tout utilisateur de l'énergie électrique pour le pompage des eaux potables et pour l'irrigation doit veiller à ce que tout l'équipement de protection nécessaire soit mis en place. C'est-à-dire, il faut que le disjoncteur ou les fusibles soient toujours en bon état de fonctionnement, les câbles bien isolés, les enceintes et les boîtiers étanches et mises à la terre; etc. De plus, tous les éléments essentiels tel que, moteur, pompe et ossature de maintien doivent être correctement mis a la terre (mis a la masse) et toutes les mises à la terre doivent être reliés ensemble. II est primordial que les installations é 1ectriques soient effectuées par des 61ectriciens qualifiés, au bien, au cas où l'agriculteur effectue lui-même ce travail, il faut que les installations soient inspectées et contrôlées par une personne dûment qualifiée, avant la première mise en service (dans certains pays, c'est recommandé par la loi). II est par ailleurs recommand6 que les utilisateurs soient familers avec les premiers soins à prendre en cas d'électrocution (choc électrique). La plupart des grandes compagnies d'électricité distribuent en gènèral gratuitement les instructions ou les brochures décrivant les précautions nécessaires et les soins à prendre en cas d'accident électrique. FIGURE 107 Pompe éolienne en bois de fabrication artisanale destinée au pompage l'eau de mer dans les cuves de sel de saunage de l'île de Sal (Cap Vert)

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