Distribution de l énergie électrique

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1 DC Sources sinusoïdales / régime riphasé Disribuion de l énergie élecrique Courbe de charge du réseau français en emps réel e prévision (sie RTE) Srucure d un réseau de producion e disribuion (BT basse ension / HT haue ension / THT rès haue ension) Conenu CADRE DE CE COURS..... ORGANISATION D UN RESEAU DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE, EVOLUTION VERS LE «SMART GRID»... OPTIMISATION DES CARACTERISTIQUES D UN RESEAU DE DISTRIBUTION... DEFINITIONS DE BASE ALIMENTATION MONOPHASEE... ALIMENTATION TRIPHASEE... VOCABULAIRE... TENSIONS SIMPLES... TENSIONS COMPOSEES... 4 RELATION ENTRE U TENSION COMPOSEE ET V TENSION SIMPLE... 4 RECEPTEURS TRIPHASES EQUILIBRES DEFINITIONS... 4 COUPLAGE ETOILE... 5 COUPLAGE TRIANGLE... 5 REALISATION DU COUPLAGE DU BORNIER D UNE CHARGE TRIPHASEE (EXEMPLE : MOTEUR ASYNCHRONE) LES DIFFERENTES PUISSANCES PUISSANCE ACTIVE P (EN WATTS)... 7 PUISSANCE REACTIVE Q (EN VAR)... 7 THEOREME DE BOUCHEROT... 7 PUISSANCE APPARENTE S (EN VA) TRANSFORMATEUR DE DISTRIBUTION PRINCIPE ET EMPLOI... 8 TRANSFORMATEUR PARFAIT (OU IDEAL )... 8 TRANSFORMATEUR REEL, MODELE RAPPORTE AU PRIMAIRE... 8 JC Rolin 08/07 / 8 TSI G.Eiffel Dijon

2 CADRE DE CE COURS. Organisaion d un réseau de disribuion élecrique, évoluion vers le «Smar Grid» L énergie élecrique n éan pas direcemen sockable, il fau à ou insan adaper le niveau de producion à la demande e acheminer cee énergie des lieux de producion vers les poins de consommaion qu ils soien chez les pariculiers où vers les indusriels ou aciviés eriaires. Pour pouvoir ransporer l élecricié à disance en minimisan les peres en ligne il fau réduire le couran en élevan la ension. C es le ransformaeur qui perme cee adapaion de niveau en régime alernaif En France la THT (rès haue ension) es limiée à 400 kv ce qui perme le ranspor sur des liaisons de plusieurs cenaines de kilomères. «Smar Grid» Les réseaux d énergie son en pleine muaion à cause du développemen des sources inermienes non conrôlables (éoliennes, phoo volaïque). On assise acuellemen à une augmenaion de l inelligence : des usages (gesion à disance des appareils des consommaeurs), du sockage (resiuion de l énergie sockée dans les baeries de véhicule, saion de urbinage e pompage ). Le erme consacré à ces réseaux inelligens es «Smar Grid». La circulaion de l informaion es alors aussi imporane que celle de l énergie.. Opimisaion des caracérisiques d un réseau de disribuion Peres par effe Joule en ligne : La disribuion d énergie élecrique s accompagne de peres dans les lignes e câbles par effe Joule. En 04 les peres se son éablies à 0,6 TWh, soi un aux de,08% par rappor à la consommaion. Il es donc imporan de les réduire. Faceur de puissance : Le faceur de puissance rend compe du bon usage d une insallaion vis à vis de son dimensionnemen. Pour un faceur de puissance de, seule la puissance uile es ransporée. On esime l économie poenielle annuelle à 48 TWh en augmenan de % sur ce faceur de puissance à l échelle européenne. Ceci représene la producion annuelle de 4 cenrales nucléaires ou de plus de 4000 éoliennes de fore puissance. DEFINITIONS DE BASE. Alimenaion monophasée Considérons le sysème d alimenaion monophasé : v ( = V.. cos( i ( = I.. cos( ) V e I son les valeurs efficaces es l argumen de l impédance de la charge. La puissance insananée s'écri : p( = v (. i ( En développan : p( =. V. I. (cos(. cos( )) p( = V. I. cos + V. I. cos( ) La puissance insananée fournie par un sysème d alimenaion monophasé es la somme : d une puissance consane, la puissance acive (P = V. I. cos ), d une puissance insananée alernaive (p = V. I. cos( )) de fréquence double de la fréquence d alimenaion ou puissance flucuane. JC Rolin 08/08 / 8 G.Eiffel Dijon

3 . Alimenaion Triphasée Considérons le sysème riphasé : V I Z Z Z Si les rois impédances Z son supposées ideniques, le sysème es équilibré en couran Le sysème de ensions riphasées s'écri v ( = V.. sin( v ( = V.. sin( /) v ( = V.. sin( 4/) La puissance oale insananée s'écri : Le sysème de courans riphasés s'écri i ( = I.. sin ( ) i ( = I.. sin( / ) i ( = I.. sin( 4/ ) p( = v (. i ( + v (. i ( + v (. i ( sin(a). sin(b) = /[ cos(a + b) + cos(a b)] p( =. V. I. (sin(. sin( ) + sin( /). sin( / ) + sin( 4/). sin( 4/ )) p( = V. I. ( cos( ) + cos cos( 4/ ) + cos cos( / ) + cos) p( = V. I. cos V. I. ( cos( ) + cos( 4/ ) + cos( / )) p( = V. I. cos = 0 (la somme vecorielle es nulle) La puissance insananée fournie par le sysème équilibré es consane e égale à la puissance moyenne ou acive. p ( =. V. I. cos =. U. I. cos = P Une machine riphasée a une puissance de plus de 50% supérieure à celle d une machine monophasée de même masse e donc son prix es moins élevé. Pour le ranspor de l énergie élecrique, les lignes riphasées limien les peres e réduisen la masse de câble uilisée.. Vocabulaire La disribuion en basse ension (BT) se fai à parir de quare bornes (): Trois bornes de phase son repérées de façon normalisées par L, L, L (R, S, T pour les anciennes disribuions); Une borne de neure N. Tensions simples ou éoilées enre les phases e le neure. Tensions composées enre les phases. Noaion : V, V, V Noaion : U, U, U Avec : U = V - V ec..4 Tensions simples Représenaion emporelle v ( V sin( v ( V sin( ) v ( V sin( 4 ) Représenaion Complexe V V V = V 0 V = V[cos( V π ) + j. sin( π )] V = V[ / j /] V V 4 = V[cos (π ) + j. sin(π )] V = V [ + j /] Ce sysème es équilibré direc Equilibré car la consrucion de Fresnel monre que V V V 0 Représenaion de Fresnel Direc car un observaeur immobile verrai les veceurs défiler devan lui dans l ordre,,. Le conduceur de proecion équipoeniel (PE ou erre ver/jaune) n es pas un conduceur acif, mais un conduceur pour la sécurié des personnes e des biens. Il es parcouru par un couran seulemen lors d un défau de l insallaion. JC Rolin 08/08 / 8 G.Eiffel Dijon

4 .5 Tensions composées Les ensions composées on même fréquence que les ensions simples u ( v( v( U V V u ( v( v( U V V u ( v( v( U V V Représenaion emporelle u sin( ) ( U ) 6 u sin( ) ( U ) 7 u sin( ) ( U ) 6 Représenaion Complexe Si le réseau es équilibré : U U U 0 j 6 U = U.e j U = U.e j7 6 U = U.e.6 Relaion enre U Tension composée e V Tension Simple Par les complexes : U V V Par consrucion vecorielle : Soi U = V V [ j ] = V [ + j ] = [V 0 ] U = V cos0 soi U V Finalemen : U V Cee relaion es oujours vraie si le sysème es équilibré. RECEPTEURS TRIPHASES EQUILIBRES. Définiions Récepeurs riphasés : ce son des récepeurs consiués de rois dipôles d impédance Z. Equilibré : les rois dipôles Z son ideniques en module e argumen. Courans par phase : les courans qui raversen les élémens Z du récepeur riphasés. Symbole : J Courans en ligne : ce son les courans qui passen dans les fils du réseau riphasé. Symbole : I Le réseau e le récepeur peuven se relier de deux façons différenes : en éoile ou en riangle. JC Rolin 08/08 4 / 8 G.Eiffel Dijon

5 . Couplage éoile.. Monage On peu noer V Z ; V Z ; V Z ; les ensions aux bornes des impédances Le premier schéma explique le erme «éoile». Symbole : Comme il s agi des mêmes impédances, de ce fai i i i 0 (noaion insananée ou vecorielle ou complexe), donc i n 0. Le couran dans le fil neure es nul. Le fil neure n es donc pas nécessaire. Pour un sysème riphasé équilibré, le fil neure ne ser à rien... Relaions enre les courans Dans le monage éoile, on consae que les courans en ligne son égaux aux courans par phase. I J ; I J ; I J De plus la charge e le réseau son équilibrés, donc les valeurs efficaces son ideniques: On reiendra pour le couplage éoile : I I I I J I J. Couplage riangle.. Monage Le premier schéma explique le erme «riangle». Symbole : Comme il s agi des mêmes impédances, I I 0 I e I I I 0 Dans un monage riangle, on ne peu pas relier le fil du neure... Relaions enre les courans I J J I J J I J J JC Rolin 08/08 5 / 8 G.Eiffel Dijon

6 Si le sysème riphasé es équilibré : Pour le couplage riangle, I I I I e J J J J. la relaion enre I e J es la même que la relaion enre V e U. I J Remarque : Les déphasages pour les deux monages éoile e riangle son les mêmes, il s agi du déphasage φ argumen du dipôle Z du monage. Φ i u = Φ j v = φ.4 Réalisaion du couplage du bornier d une charge riphasée (exemple : moeur asynchrone) Les consruceurs prédisposen les bornes des rois enroulemens ou dipôles de façon à réaliser facilemen le couplage. Choix du couplage pour un moeur asynchrone riphasé : Un moeur es oujours qualifié pour ensions normalisées, par exemple 0/400V, e la plus peie de ces valeurs indique la ension nominale que suppore un enroulemen (un bobinage), ici 0V. Le couplage vis-à-vis du réseau de disribuion doi donc respecer la ension d enroulemen en sachan que l on uilise les ensions composée. Si le réseau es de ype 0/400V, les ensions composées son de 400V enre fils de phase, on uilisera le 400V. Conclusion : 0V aux bornes d un enroulemen e 400V enre fils de phase du réseau impose un couplage ETOILE, la ension aux bornes d un enroulemen sera de 400 0V e respece la ension nominale de l enroulemen. 4 LES DIFFERENTES PUISSANCES Modèle élecrique e ypes de puissance : Il es imporan de savoir localiser les différenes puissances (Acive, réacive, apparene dans un modèle élecrique. Ci-conre le modèle d un enroulemen de machine asynchrone. Dans R /g on aura de la puissance acive P(W) Dans les élémens L p e L qui donne les réacances X = L. e X p = L p. il y aura de la puissance réacive Q (Var) posiive. Lorsqu un condensaeur C es présen, sa réacance X c = -/(C.) donne une puissance réacive négaive. Globalemen le produi V.I donne une puissance apparene S(VA). JC Rolin 08/08 6 / 8 G.Eiffel Dijon

7 4. Puissance acive P (en Was) La puissance acive fourni une énergie uile (énergie mécanique pour un moeur, chaleur pour un chauffage, énergie lumineuse pour un éclairage) e inclus égalemen les peres sous forme de chaleur. On compabilise l énergie acive en kwh des sources vers les charges. L élémen qui perme de modéliser cee puissance es la résisance. Relaions en régime sinusoïdal riphasé équilibré Si on connai les caracérisiques pour un élémen Si on connaî les grandeurs en ligne e φ P. V. J.cos P. U. I.cos V ension simple par élémen, J couran dans un élémen de la charge, φ argumen de l impédance de charge. U ension composée enre phases, I couran en ligne, φ argumen de l impédance de charge. Imporan : Le modèle monophasé d une machine élecrique riphasée asynchrone ou synchrone s appuie sur cee relaion pour son bilan de puissance puis le calcul du couple. Cee relaion es source de nombreuses erreurs d inerpréaion car φ n es pas le déphasage enre U e I! 4. Puissance réacive Q (en VAR) La puissance réacive fourni une énergie à bilan nul sur une période en régime périodique e correspond à une énergie sockée puis resiuée au cours d une période en régime périodique On compabilise l énergie réacive en kvarh, surou lors des heures de poines en hiver, car elle enraîne une surcharge inuile des réseaux élecriques. Les élémens qui modélisen cee puissance son l inducance (énergie magnéique) e la capacié (énergie élecrosaique. Relaions en régime sinusoïdal riphasé équilibré Si on connai les caracérisiques pour un élémen Si on connaî les grandeurs en ligne e φ Q. V. J.sin relaion à préférer Q. U. I.sin ATTENTION relaion source d erreurs 4. Théorème de Bouchero Les puissances acive e réacive oales absorbées par un ensemble de charges son respecivemen égales à la somme des puissances acives e réacives absorbées par chaque élémen du groupemen. S P Q avec P Pi e Q Q i Il y a conservaion de la puissance acive d une par e de la puissance réacive d aure par (héorème de Bouchero 4.4 Puissance apparene S (en VA) La puissance apparene dimensionne les généraeurs e les élémens de disribuion de l énergie élecrique pour enir compe des échanges d énergie acive e réacive (Alernaeurs, Transformaeurs). Régime sinusoïdal riphasé équilibré S P Q. U. I On remarque que la puissance apparene (noion de dimensionnemen es égale à la puissance acive (noion d uilié) si la puissance réacive es nulle. JC Rolin 08/08 7 / 8 G.Eiffel Dijon

8 4.5 Faceur de puissance Fp (sans dimension) Le faceur de puissance qualifie le bon usage d un réseau en comparan puissance uilisable e puissance de dimensionnemen. Par définiion P F p = S A reenir absolumen car valable même pour des signaux périodiques déformés. En régime sinusoïdal pur, F p cos Ne surou pas reenir seulemen cee définiion qui es un cas pariculier raremen valable dans la praique. 5 TRANSFORMATEUR DE DISTRIBUTION 5. Principe e emploi La producion e la disribuion élecrique son réalisées rès souven avec des grandeurs alernaives sinusoïdales en haue ension (quelques dizaines de kv). Il es donc nécessaire d adaper les niveaux de ension. Cee adapaion es réalisée grâce à des ransformaeurs monophasés ou riphasés. Le ransformaeur es un appareil saique à inducion élecromagnéique desiné à adaper les niveaux de ension de même fréquence. Il uilise la loi de Faraday (fem induie par un flux d inducion variable. Un ransformaeur ne foncionne donc pas en régime coninu. L'énergie es ransférée du primaire au secondaire par l'inermédiaire du circui magnéique que consiue la carcasse du ransformaeur, ces deux circuis son alors magnéiquemen foremen couplés. Ceci perme de réaliser un isolemen galvanique enre les deux circuis e de garanir un rendemen rès élevé, supérieur à 99% pour les ransformaeurs de disribuion. Source : Wikipédia Caracérisaion La grandeur caracérisique d un ransformaeur es sa puissance apparene S, en monophasé : S = U. I = U. I 5. Transformaeur parfai (ou idéal ) Si l on adope le modèle du ransformaeur monophasé parfai (pas de peres), on défini une grandeur appelé rappor de ransformaion noé m el que : m = U U = I I = N N Avec N e N le nombre de spires respecivemen au primaire e secondaire Si m <, il s agi d un ransformaeur abaisseur de ension (alimenaion des applicaions élecroniques usuelles), Si m >, il s agi d un ransformaeur élévaeur de ension (sorie d alernaeur vers les lignes haues ension), Si m =, il s agi d un ransformaeur d isolemen * (*) Un ransformaeur d'isolemen es uniquemen desiné à créer un isolemen élecrique enre plusieurs circuis pour des raisons de sécurié ou de résoluion de problèmes echniques. Ces ransformaeurs son rès uilisés pour les appareils poraifs ou pour alimener les paries de circuis de commande proche des opéraeurs sur machine par exemple. 5. Transformaeur réel, modèle rapporé au primaire Imperfecions (résisance e flux ou inducance de fuie Modèle avec peres, rapporé au primaire Dans le modèle de droie les imperfecions du ransformaeur son rapporées coé primaire, le modèle enre E 0 e U 0 correspond alors au ransformaeur parfai. JC Rolin 08/08 8 / 8 G.Eiffel Dijon