Principes de science et de fonctionnement des réacteurs – Électricté

8/4/2019 Principes de science et de fonctionnement des racteurs lectrict

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Module 5

lectricit


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Principes de science et de fonctionnement des racteurs lectrict

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Notes:NotesTable des matires

1 OBJECTIFS............................................................................. 1

1.1 PRINCIPES FONDAMENTAUX DELLECTRICIT......................................................................... 11.2 TRANSFORMATEURS................................................ 11.3 ALTERNATEURS .......................................................... 21.4 PROTECTION ................................................................. 3

PAGE VOLONTAIREMENT LAISSE EN BLANC.................... 4

2 PRINCIPES FONDAMENTAUX DELLECTRICIT ......................................................................... 5

2.1 INTRODUCTION ........................................................... 52.2 TERMES DLECTRICIT ........................................ 5

2.2.1 Courant (I, ampre) ...................................................... 52.2.2 Potentiel (V, volt).......................................................... 52.2.3 Rsistance (R, ohm) ...................................................... 52.2.4 Capacit (C, farad) ....................................................... 62.2.5 Flux magntique (Wb, weber)....................................... 62.2.6 Inductance (L, henry).................................................... 72.2.7 Frquence (f, hertz)....................................................... 8

2.2.8 Ractance (X, ohm)....................................................... 82.2.9 Impdance (Z, ohm) ...................................................... 82.2.10 Puissance active (P, watt)............................................. 92.2.11 Puissance ractive (Q, var)........................................... 92.2.12 Puissance apparente (U, voltampre)......................... 102.2.13 Facteur de puissance (PF).......................................... 10

2.3 RAPPORTS ENTRE LES QUANTITSLECTRIQUES DE BASE..................................................... 10

2.3.1 La tension par rapport lintensit dans unersistance, un condensateur ou un inducteur ............................. 102.3.2 lments dun circuit c. c............................................ 112.3.3 Rsistances.................................................................. 112.3.4 Condensateurs............................................................. 122.3.5 Inducteurs ................................................................... 132.3.6 Effet transitoire ........................................................... 14

2.4 PHASEURS..................................................................... 152.5 LMENTSDUNCIRCUIT C. A............................... 16

2.5.1 Rsistances.................................................................. 16


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Principes de science et de fonctionnement des racteurs lectricit

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Notes 2.5.2 Inducteurs ................................................................... 172.5.3 Condensateurs............................................................. 182.5.4 Circuits composants multiples ................................. 202.5.5 Mnmotechnie............................................................. 21

2.5.6 La chaleur par rapport lintensit du courant dansune rsistance.............................................................................. 222.6 PUISSANCE ACTIVE, PUISSANCE RACTIVE,PUISSANCE APPARENTE ET FACTEUR DE PUISSANCE .... 24

2.6.1 Puissance active - ou relle - mesure watts (W) ....... 242.6.2 Puissance ractive - mesure en voltampres ractifs(var) 242.6.3 Puissance apparente - mesure en voltamprs (VA) .. 252.6.4 Puissance apparente................................................... 26

2.7 CHAMP MAGNTIQUE PRODUIT PAR UNCOURANT DANS UN CONDUCTEUR........................... 292.8 TENSION INDUITE SUR LES CONDUCTEURSPAR UN CHAMP MAGNTIQUE CHANGEANT ....... 30

2.8.1 Fonctionnement du transformateur ............................ 322.8.2 Force magntique exerce sur un conducteur par lequelpasse un courant ......................................................................... 322.8.3 Tension induite sur un conducteur.............................. 34

2.9 CONNEXIONS EN TRIPHAS ............................... 392.10 CIRCUITS MAGNTIQUES ................................ 40

2.10.1 Courant de Fouclault.................................................. 402.10.2 Hystrsis.................................................................... 41

2.10.3 Saturation magntique................................................ 412.11 CONVERTISSEURS DE PUISSANCE .............. 432.12 INSOLATION DES MACHINES......................... 44

2.12.1 Humidit excessive...................................................... 442.12.2 Temprature excessivement leve ............................. 45

2.13 QUESTIONS DE RVISION - PRINCIPESFONDAMENTAUX DE LLECTRICIT....................... 46

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3 TRANSFORMATEURS.................................................... 49

3.1 INTRODUCTION ......................................................... 493.2 TRANSFORMATEURS-GNRALITS........... 49

3.2.1 Puissance nominale - en VA ....................................... 493.2.2 Refroidissement........................................................... 493.2.3 Frquence ................................................................... 513.2.4 Tension........................................................................ 513.2.5 Phase........................................................................... 51


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Notes:Notes3.2.6 Enroulements .............................................................. 523.2.7 Connexions.................................................................. 523.2.8 Prises........................................................................... 53

3.3 CHANGEURS DE PRISE........................................... 543.3.1 Changeurs de prise hors tension ................................ 553.3.2 Changeurs de prise sous tension ................................ 56

3.4 LIMITES DE FONCTIONNEMENT....................... 613.4.1 Pertes dans les transformateurs (chaleur).................. 613.4.2 Pertes dans le cuivre (ou dans lenroulement) ........... 613.4.3 Pertes dans le fer (ou dans le noyau).......................... 623.4.4 Limites de temprature des tranformateurs................ 633.4.5 Limites de courant....................................................... 643.4.6 Limites de tension et de frquence.............................. 64

3.5 TRANSFORMATEURS DINSTRUMENT.................................... 663.5.1 Transformateurs de potentiel...................................... 663.5.2 Transformateurs de courant ....................................... 66

QUESTIONSDERVISION-TRANSFORMATEURS......... 68

PAGE VOLONTAIREMENT LAISSE EN BLANC.................. 69

4 ALTERNATEURS .............................................................. 70

4.1 INTRODUCTION ......................................................... 704.2 PRINCIPES FONDAMENTAUX DUFONCTIONNEMENT DES ALTERNATEURS.............. 704.3 FONCTIONNEMENT SYNCHRONE.................... 71

4.3.1 Champ magntique ..................................................... 714.3.2 Forces entre les champs magntiques ........................ 734.3.3 Fonctionnement dun alternateur comme un moteur.. 744.3.4 Limites......................................................................... 754.3.5 Alternateur synchrone - Circuit quivalent ................ 75

4.4 DIAGRAMME DE PHASEUR EN RGIMETABLI ........................................................................................ 76

4.4.1 Augmentation du flux de vapeur ................................. 774.4.2 Augmentation de lexcitation...................................... 77

4.5 DMARRAGEDESYNCHRONISATION

PRALABLEAUCOUPLAGEDESALTERNATEURS784.5.1 Dmarrage.................................................................. 784.5.2 Appication du champ du rotor.................................... 79

4.6 PRPARATIONDELASYNCHRONISATION. 814.6.1 Ordre des phases......................................................... 814.6.2 Amplitude de la tension............................................... 814.6.3 Frquence ................................................................... 82


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Notes 4.6.4 Angle de phase............................................................ 834.7 SYNCHRONISATION ................................................ 844.8 SYNCHRONISATIONDUNALTERNATEUR. 86

4.8.1 Raction dinduit......................................................... 874.8.2 lment actif ............................................................... 874.8.3 lment de retard ractif ............................................ 874.8.4 lment davance ractif ............................................ 88

4.9 COUPLAGEAVECUNBUSHORSTENSION ..884.9.1 Couplage avec un bus hors tension, avec charge facteur de puissance en avance................................................... 884.9.2 Couplage avec un bus hors tension, avec charge facteur de puissance en retard.................................................... 884.9.3 Couplage avec un bus en court-circuit ....................... 894.9.4 Couplage avec un bus hors tension, sans aucune chargeconnecte89

4.10 CHARGEDUNALTERNATEUR...................... 894.10.1 Couplage avec un circuit fini par rapport au couplageavec un rseau infini ................................................................... 89

4.11 COMMANDEDUNALTERNATEURPARUNSTABILISATEURAUTOMATIQUEDETENSION ..... 90

4.11.1 Acion du stabilisateur automatique de tension sur lacharge de lalternateur ............................................................... 924.11.2 Charge facteur de puissance unit........................... 924.11.3 Charge en retard facteur de puissance nul.............. 93

4.12 COMMANDEDURGULATEURDE

VITESSEDUNALTERNATEUR...................................... 954.12.1 Flchissement de la vitess........................................... 964.12.2 Rgulateur de vitesse isochrone.................................. 974.12.3 Pourcentage de flchissement de la vitesse ................ 984.12.4 Pendant le dmarrage............................................... 1004.12.5 Fonction normal........................................................ 1004.12.6 Fonctionnement en parallle avec un bus de grandetaille (infini) .............................................................................. 1004.12.7 Fonctionnement en parallle avec un bus fini.......... 103

4.13 COMMANDECOMBINEDUNSTABILISATEURAUTOMATIQUEDEVITESSEETDUNRGULATEURDEVITESSE ................................ 105

4.13.1 Rglage du flux de vapeur sans changement delexcitation ................................................................................ 1054.13.2 Rglage de lexcitation sans changement du flux devapeur 106

4.14 STABILITY DES ALTERNATEURS............... 1084.15 ALTERNATEUR DCAL ................................. 110


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Notes:Notes4.16 ALTERNATEURS - PRODUCTION DECHALEUR ET CONDITIONS DFAVORABLES ...... 112

4.16.1 Limite de chauffage du rotor..................................... 1134.16.2 Limite de chauffage du stator ................................... 1134.16.3 Limite de chauffage des alternateurs........................ 1144.16.4 Refroidissement du rotor et du stator des alternateurs

1174.17 ARRT DES ALTERNATEURS........................ 1194.18 QUESTIONS DE RVISION -ALTERNATEURS .................................................................. 121

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5 PROTECTION LECTRIQUES ................................ 124

5.1 INTRODUCTION ....................................................... 1245.2 BUTDESPROTECTIONSLECTRIQUES....... 1255.3 QUALITSESSENTIELLESDESPROTECTIONSLECTRIQUES....................................... 126

5.3.1 Vitesse ....................................................................... 1265.3.2 Fiabilit..................................................................... 1265.3.3 Scurit ..................................................................... 1265.3.4 Sensibilit.................................................................. 126

5.4 ZONESDEPROTECTION ...................................... 1275.5 PROTECTIONDESDISJONCTEURS ................ 130

5.5.1 Protections redondantes A et B................................. 1315.6 PROTECTIONSDESBUS ....................................... 1325.6.1 Protection diffrentielle des bus ............................... 1335.6.2 Protection de secours de bus .................................... 1355.6.3 Dfauts la terre des buss........................................ 1375.6.4 Protection des bus contre la sous-tension ................ 138

5.7 PROTECTIONDESTRANSFORMATEURS .... 1395.7.1 Protection des transformateurs contre la surintensitinstantane................................................................................ 1405.7.2 Protection diffrentielle des transformateurs ........... 1405.7.3 Relais gaz pour transformateurs............................ 142

5.7.4 Gaz produits cause des dfauts.............................. 1435.7.5 Surcharge thermique des transformateurs................ 1455.7.6 Protection des transformateurs contre les dfauts laterre 146

5.8 PROTECTIONDESMOTEURS............................. 1475.8.1 Protection des moteurs contre la surintensitinstantane................................................................................ 147


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Notes 5.8.2 Protection des moteurs contre la surintensit prolonge148

5.8.3 Surcharge thermique................................................. 1495.8.4 Protection des moteurs contre les dfauts la terre 151

5.8.5 Protection des moteurs contre le calage................... 1525.8.6 Protection des moteurs contre lexcs de fluxmagntique................................................................................ 154

5.9 PROTECTIONDESALTERNATEURS .............. 1565.9.1 Classes de dclenchement des alternateurs turbine

1565.9.2 Surintensit des alternateurs..................................... 1575.9.3 Protection diffrentielle des alternateurs ................. 1585.9.4 Protection des alternateurs contre les dfauts la terre

1595.9.5 Protection la terre du rotor.................................... 160

5.9.6 Protection des alternateurs contre le dsquilibre des phases 1615.9.7 Protection des alternateurs contre la perte de champ

1625.9.8 Protection des alternateurs contre la surexcitation.. 1635.9.9 Protection des alternateurs contre la sous-frquence

1635.9.10 Protection des alternateurs contre le dcalage ........ 1645.9.11 Protection des alternateurs contre linversion depuissance 164

5.10 QUESTIONS DERVISION-PROTECTIONS

LECTRIQUES ....................................................................... 166


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Notes:NotesMODULE 5

INTRODUCTION

Ce module porte sur les domaines suivants de llectricit : Principes fondamentaux Transformateurs Alternateurs Protections

la fin de ltude de ce module, les participants auront les aptitudessuivantes :

1 OBJECTIFS

1.1 PRINCIPES FONDAMENTAUX DELLECTRICIT

expliquer les termes dlectricit suivants : courant, potentiel,rsistance, capacit, flux magntique, inductance, frquence,ractance, impdance, puissance active, puissance ractive,puissance apparente, facteur de puissance;

identifier les units de mesure utilises en lectricit;

expliquer les rapports existant entre les quantits lectriques;

expliquer comment lhumidit et la temprature excessivesexercent leur influence sur lisolant des machines lectriques etsur la rsistance des matriaux utiliss dans ces machines;

1.2 TRANSFORMATEURS expliquer de quelle faon les changeurs de prise permettent de

changer le rapport de tension entre lentre et la sortie;

expliquer les limites du fonctionnement des changeurs deprises hors tension;

identifier les causes de surchauffe des transformateurs; expliquer les conditions dun fonctionnement ayant une

influence sur la production de chaleur;

identifier les limites dutilisation des transformateurs.


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Notes1.3 ALTERNATEURS expliquer pourquoi lexcitation ne peut tre applique que si

lalternateur tourne sa vitesse nominale ou presque;

expliquer pourquoi la valeur des paramtres lectriques doit setrouver dans des limites acceptables pour quun alternateurpuisse tre coupl sur un rseau de distribution lectrique;

identifier la faon dinterprter les indications dunsynchroscope pour tre sr de pouvoir fermer le disjoncteur;

expliquer comment ragit un alternateur lorsque sondisjoncteur est ferm au contact dun bus hors tension auquelsont raccordes des charges capacitives ou inductives;

indiquer pourquoi les charges lectriques doivent tredconnectes avant quun bus ne soit mis sous tension;

donner la dfinition dun bus fini et dun bus infini;

expliquer de quelle faon la tension applique aux bornes dunalternateur est commande automatiquement;

dcrire la fonction dun rgulateur de turbine;

indiquer comment le changement de la puissance larbre de laturbine ou le changement du courant dexcitation dunalternateur coupl un rseau infini influence les paramtresrattachs cette turbine;

dcrire les lments qui ont une influence sur la limite dergime tabli et la stabilit dynamique des alternateurs et deslignes de distribution lectriques;

expliquer pourquoi des limites sont imposes aux paramtresrattachs aux alternateurs;

dcrire les changements qui se produisent lors du rejet dunecharge la puissance de sortie utile;

dcrire la raction des circuits de commande de la vitesse et dela tension pendant un rejet la puissance maximale;

expliquer pourquoi de la chaleur est produite par les lmentsdun alternateur et les consquences dune productionexcessive de chaleur;

expliquer comment la chaleur du rotor et du stator est dissipe;

expliquer pourquoi la conductivit de leau du stator doit trelimite;


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Notes:Notes noncer les consquences dun dpassement de la limite deconductivit;

expliquer comment leau ou lair qui pntrerait danslalternateur risquerait de diminuer les capacits disolation etde refroidissement de cet alternateur par lhydrogne.

1.4 PROTECTION expliquer comment la protection diffrentielle permet de

protger un bus;

indiquer pourquoi la protection diffrentielle, la protection desecours contre les surintensits, la protection contre les dfauts la terre et la protection contre la sous-tension sont ncessairespour protger les bus de distribution lectrique;

indiquer pourquoi la protection de surintensit instantane, laprotection diffrentielle, les relais gaz, la protection contre lessurcharges thermiques et la protection contre les dfauts laterre sont ncessaires pour protger les transformateursdlectricit;

indiquer pourquoi la protection contre les surintensitsinstantanes, la protection action diffre contre lessurintensits, la protection contre les surcharges thermiques, laprotection contre les dfauts la terre, la protection contre lecalage et la protection contre lexcs de flux magntique sont

ncessaires pour protger les moteurs lectriques; indiquer pourquoi il est acceptable de renclencher

immdiatement le relais de surcharge thermique dun moteurlectrique et pas le relais de surintensit instantane;

indiquer quand un dclenchement de turbine de classe A, B, Cou D peut se produire;

expliquer pourquoi la surintensit, la protection diffrentielle,les dfauts la terre, le dsquilibre de phase, la perte dechamp, la surexcitation, la sous-frquence, le glissement deple, linversion de puissance et les dfauts la terre au rotor

sont des lments utiliser pour protger les alternateurs.


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Notes

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Notes:Notes

2 PRINCIPES FONDAMENTAUX DE

LLECTRICIT

2.1 INTRODUCTIONLe premier chapitre donne la dfinition des quantits lectriqueslmentaires (ampre, volt, watt, var, facteur de puissance, etc.) etindique les relations qui existent entre ces quantits. Il traite galementde la thorie de llectricit c. a. et et c. c. qui forme la base thoriquedu fonctionnement des appareils lectriques (moteurs, transformateurs,alternateurs, convertisseurs de puissance et alimentations sanscoupure).

2.2 TERMES DLECTRICITCe quon dsigne habituellement par lectricit nest en ralitquun mouvement dlectrons. Commenons donc par l.

2.2.1 Courant (I, ampre)Comme son nom lindique, le courant est lintensit (I) du mouvementou de la circulation des lectrons. Lunit de mesure de lintensit estlampre. Cette unit est habituellement reprsente sous formeabrge par la lettre A. La circulation des lectrons dun courantlectrique peut tre assimile celle des molcules dun cours deau.

Pour dplacer quoi que ce soit, un potentiel est ncessaire. Cette rglesapplique aussi aux lectrons.

2.2.2 Potentiel (V, volt)Le potentiel est la force qui commande le dplacement des lectrons(elle sappelle force lectromotrice ou F.E.M.). Cette force se mesurepar la tension quelle exerce. Lunit de mesure de la tension est levolt. Cette unit est reprsente sous forme abrge par la lettre V.

2.2.3 Rsistance (R, ohm)La rsistance caractrise les matriaux qui rsistent la circulation ducourant. Elle quivaut la friction en mcanique. Lunit de mesure dela rsistance est lohm (du savant qui lui a donn son nom). Cette unitest parfois indique par son symbole officiel (). Sa forme abrge esttojours la lettre R. La valeur de la rsistance ne dpend pas seulement


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Notes du matriau utilis comme conducteur mais aussi de sa taille et de satemprature.

Une augmentation de la section augmente la rsistance.

Une augmentation de la longueur augmente la rsistance.

Une augmentation de la temprature augmentela rsistance (avec la plupart des matriauxconducteurs dlectricit).

2.2.4 Capacit (C, farad)Deux conducteurs spars par un matriau isolant forment uncondensateur. La capacit dun condensateur est sa facult de garderdes lectrons ou une charge. Lunit de mesure de la capacit descondensateur est le farad. La valeur des condensateurs esthabituellement indique en microfarads (F) et en picofarads (pF). Lacapacit dun condensateur dpend de sa construction.

Conductors (Plates) = Conducteurs (plaques) Dielectric = Dilectrique

Figure 1Condensateur

Plus les plaques sont rapproches, plus la capacit est grande.

Plus la surface des plaques est grande, plus la capacit estgrande.

2.2.5 Flux magntique (Wb, weber)Si un courant circule dans un conducteur, un champ magntique seforme autour de ce conducteur. Ce champ est habituellementreprsent par des lignes de force magntique. Le terme fluxmagntique sapplique la mesure de la circulation magntique lintrieur du champ. Cette dfinition est comparable celle ducourant ou de la circulation des lectrons, mais dans un champmagntique. La figure suivante illustre la direction du flux magntique


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Notes:Notesautour dun conducteur et lapplication de la rgle de la main droite,qui est facile mmoriser.

Si le conducteur est saisi en imagination avec le pouce orient dans le

sens de la circulation du courant, les autres doigts senroulent autourdu conducteur dans la mme direction que le flux magntique.

Right Hand = Main droite Conventional Current Direction = Direction conventionnelle du courant

Figure 2Lignes de force magntique

Les lignes de force magntique ont un effet sur les conducteursadjacents et aussi sur elles-mmes.

Cette effet est plus prononc si le conducteursenroule sur lui-mme comme une bobine.

Figure 3Auto-inductance magntique

Tout conducteur par lequel passe un courant et qui est enroul de cettefaon forme un inducteur, nom qui vient du fait que ce conducteur

induit un courant en lui-mme (auto-inductance) ou dans dautresconducteurs.

2.2.6 Inductance (L, henry)La force qui soppose la circulation du courant dans un inducteur estlinductance. Linductance caractrise les circuits au mme titre que larsistance. Linductance soppose tout changement de circulation du


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Notes courant. Lunit dinductance est le henry (H). Le symbole delinductance est la lettre L.

2.2.7 Frquence (f, hertz)Les circuits lectriques peuvent tre classs en deux catgories. Celledu courant continu (c. c.) et celle du courant alternatif (c. a.). Avec lescircuits c. c., le courant ne circule que dans un sens. Une sourcednergie, comme une pile ou une batterie, maintient une forcelectromotrice constante. La plupart des circuits fonctionnent en c. a.

La frquence est la cadence du changement du sens de circulation ducourant. Elle est reprsente en abrg par la lettre f. Lunit demesure de la frquence est le hertz (Hz).

2.2.8 Ractance (X, ohm)La force qui soppose la circulation du courant alternatif (c. a.) dansles condensateurs et les inducteurs sappelle la ractance. Le symbolede la ractance capacitive est XC et celui de la ractance inductive estXL.

Sans entrer dans le dtail de la drivation des valeurs de ractance,disons quil est possible de prouver les galits suivantes (danslesquelles f reprsente la frquence dun courant c. a.) :

XL = 2 f L

XC = 1/2fC

2.2.9 Impdance (Z, ohm)Leffet dopposition totale, ou leffet combin de limpdance dunersitance et dune ractance exerc sur la circulation dun courantalternatif sappelle limpdance. Limpdance est reprsente enabrg par la lettre Z. Lunit dimpdance est lohm. Le rapport entreces lments peut tre illustr par le circuit en srie suivant :


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Notes:Notes

R L CX XResistance

Reactance

Impedance

AC Current (I)

AC Current = Courant c. a. RESISTANCE = RSISTANCE REACTANCE = RACTANCE IMPEDANCE = IMPDANCE

Figure 4Impdance

2.2.10 Puissance active (P, watt)Au lieu demployer directement le terme dnergie lectrique, onemploie habituellement la quantit dnergie utilise pendant un

certain temps, ce qui dfinit la puissance. Il existe trois lments depuissance : la puissance active, la puissance ractive et la puissanceapparente.

La puissance active, ou puissance relle, est la vitesse deconsommation de lnergie utilise pour effectuer un travail utile. Parexemple, si un courant circule travers une rsistance, de la chaleurest produite.

La puissance active est symbolise par la lettre P. Son unit de mesureest le watt.

2.2.11 Puissance ractive (Q, var)La puissance ractive est la puissance produite par un courant circulant travers des lments ractifs (inductance ou capacit). Elle estsymbolise par la lettre Q. Son unit de mesure est le voltampreractif (var).

La puissance ractive peut tre galement vue comme la vitesse dunchange dnergie entre une charge capacitive ou inductive et unalternateur ou entre des condensateurs des inducteurs.

La puissance ractive ne produit aucun travail rel, mais ellereprsente une force ncessaire pour les alternateurs, les moteurs et lestranformateurs. Lexemple en est donn par le chargement et ledchargement des condensateurs ou des bobines. Un transfertdnergie a bien lieu, mais aucune puissance nest consomme niproduite, contrairement ce qui se passerait avec une rsistance.


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Notes 2.2.12 Puissance apparente (U, voltampre)

La puissance apparente est la puissance totale ou la puissancecombine quun courant produit en circulant travers nimporte quelle

combinaison dlments passifs ou ractifs. Elle est symbolise par lalettre U. Son unit de mesure est le voltampre (VA).

2.2.13 Facteur de puissance

Puissance relle / puissance apparente

Le rapport de puissance est le rapport de la puissance relle lapuissance apparente.

Avec une rsistance, aucune puissance ractive nestconsomme. La puissance apparente utilise est doncentirement relle. Le facteur de puissance est dans ce cas gal 1. Il porte alors le nom de facteur de puissance unit.

Avec un inducteur ou un condensateur pur, la puissanceapparente consomme est entrirement ractive (la puissancerelle est nulle). Le facteur de puissance est dans ce casgal 0.

Si la puissance est consomme par une impdance formedune rsistance, dune inductance et dune capacit, le facteurde puissance se situe quelque part entre ces deux limites, unpoint variant dun circuit lautre.

Lefficacit de la consommation de la puissance augmente mesureque le facteur de puissance sapproche du facteur de puissance unit.

2.3 RAPPORTS ENTRE LESQUANTITS LECTRIQUES DEBASE

2.3.1 La tension par rapport lintensit dans une rsistance,

un condensateur ou un inducteurLes lments dun circuit lectrique se comportent diffremmentselon quils sont exposs un courant continu ou un courantalternatif. Pour faciliter les explications, ces dispositifs sont souventcompars des objets faciles imaginer.


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Notes:Notes Les rsistances dun circuit lectriques peuvent tre compares des rochers situs dans un cours deau.

Un condensateur peut tre compar une rame plonge dansun cours deau.

Laction dun inducteur est similaire celle dun ressorthlicodal.

2.3.2 lments dun circuit c. c.

Voyons pour commencer un simple circuit c. c.aliment par une force lectromotrice constante (unepile) et comprenant trois lments de base agencs dedeux faons (en srie et en parallle).

2.3.3 RsistancesEn circulant travers les rsistances, de la mme faon quun coursdeau passe par des rochers, le courant dissipe une partie de sonnergie. Si les rochers sont disposs dans le cours deau la faon deceux dun rapide, une rsistance importante est offerte lcoulementde leau. Mais si le mme nombre de rochers est plac en travers ducours deau, la rsistance gnrale offerte lcoulement de leau estmoindre.

Les schmas suivants illustrent le principe simple mais fondamentalqui rgit la plupart des circuits lectriques. Le potentiel ncessairepour forcer un courant de 1 ampre travers une rsistance de 1 ohmest gal 1 volt (loi dOhm), ce qui peut prendre la forme delquation V=IR.

Avec le circuit en srie ( gauche), le mme courant circule traverschacune des rsistances, mais la tension applique se divise entre elles.Avec le circuit en parallle ( droite), la mme tension est applique toutes les rsistances, mais le courant se divise entre elles.


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Notes

R

RR R

R

RR

RR

R RR

Current (I)Current (I)

With all 6 Resistances the same value (R)Current would be 6 times less

that of 1 resistance (R)

With all 6 Resistances the same value (R)Current would be 6 times more

that of 1 resistance (R)

+

-

PotentialSource

(V)

+

-

PotentialSource

(V)

SeriesCircuit

Parallel Circuit

Current (I) = Courant (I) Potential Source (V) = Source de potentiel (V) Series Circuit = Circuit en srieWith all 6 Resistances the same value (R) Current would be 6 times less that of 1 resistance (R)= Avec 6 rsistances identiques (R), le courant est 6 fois plus petit quavec une rsistance (R)

Current (I) = Courant (I) Potential Source (V) = Source de potentiel (V) Parallel Circuit = Circuit en parallleWith all 6 Resistances the same value (R) Current 6 times more that of resistance (R)= Avec 6 rsistances identiques (R), le courant est 6 fois plus grand quavec une rsistance (R)

Figure 5Circuit rsistances c. c.

La rsistance totale des circuits en srie sexprime par la formuleRtotale = R1+R2+(etc.). Dans notre exemple de circuit, Rtotale = 6R.

La rsistance des circuits en parallle sexprime par la formule1/Rtotale = 1/R1+1/R2+(etc.). Dans notre exemple de circuit,1/Rtotale = 6/R ou Rtotale = R/6.

La mme thorie sapplique aux circuits constitus de sous-circuits en srie et en parallle, mais le calcul de ces circuits estplus long.

2.3.4 CondensateursComme nous lavons dj vu, les condensateurs sont physiquementconstitus de deux surfaces conductrices spares par un isolant. Lescondensateurs dun circuit lectrique sont dans un tat permanent etont un effet transitoire sur ce circuit. Comme les conducteurs duncondensateur ne sont pas physiquement en contact, ils ne permettent

pas au courant de passer directement aprs un temps assez long.Leffet est le mme que celui dune rame plonge dans un cours deau- elle bloque le passage de leau. Mais au moment mme o unetension est applique aux bornes dun condensateur, le courant passependant le temps que ce condensateur se charge. Cet effet est dittransitoire.


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13

Notes:Notes

C

Current (I) = 0

Capacitors will not pass DC Current

+

Potential

Source(V)

-

Current (I) = 0 = Courant (I) = 0 Potential Source (V) = Source de potentiel (V)Capacitors will not pass DC Current = Le condensateur ne laisse pas passer le courant c. c.

Figure 6tat permanent de la capacit dun circuit c. c.

Time

VCorIC

VC

IC

CapacitorCharging

CapacitorDis-Charging

VC

Capacitor Charging = Condensateur qui se charge Capacitor Dis-Charging = Condensateur qui se dchargeTime = Temps Vc or Ic = Vc ou Ic

Figure 7

Effet transitoire de la capcit dun circuit c. c.

2.3.5 InducteursLinducteur de la figure 8 est similaire un ressort hlicodal etnoppose aucune rsistance quand ltat du circuit est permanent. Siune force permanente lui est applique, linducteur peut laisser passerune quantit phnomnale dnergie en ntant limit que par lespossibilits de lalimentation lectrique ou par sa propre robustesse.Un inducteur ne doit tre plac dans un circuit quen usant deprcautions car il noppose aucune rsistance la circulation ducourant, ce qui peut provoquer lapauvrissement de la source dnergieou endommager cet inducteur. Mais au moment mme o une tensionest applique aux bornes dun inducteur, celui-ci empche le courantde circuler dans le circuit.


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14

Notes

L

Current (I) = unlimited

Inductors are a Short circuit to DC Current

+

-

Potential

Source(V)

Curent (I) = Unlimited = Courant (I) = illimit Potential Source (V) = Source de potentiel Inductors are a Short circuitto DC Current = Les inducteurs sont des courts-circuits pour le courant c. c.

Figure 8tat permanent de linductance dun circuit c. c.

Time

VL

or

IL

VL

IL

Vl or Il = Vl ou Il Time = TempsFigure 9

Effet transitoire de linductance dun circuit c. c.

2.3.6 Effet transitoireLeffet transitoire produit par les condensateurs et les inducteurs vientde lnergie emmagasine dans le circuit lectrique. Lnergie estemmagasine sous deux formes : sous la forme dune charge lectriquedans les condensateurs et sous la forme dun champ mangtique dansles inducteurs. La quantit dnergie emmagasine dans un inducteurdpend du courant circulant travers le circuit. La quantit dnergieemmagasine dans un condensateur dpend de la tension qui applique ses bornes. Si ltat du circuit change, la quantit dnergieemmagasine dans llment change et un effet transitoire se produit.

On peut imaginer les effets transitoires comme une opposition auxchangements de la circulation du courant dans un circuit de la part desinducteurs et comme une opposition aux changements de tension de lapart des condensateurs. Dans les circuits c. c. les plus courants, les


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15

Notes:Notesinducteurs et les condensateurs peuvent tre pris pour des objetsbizarres car leur effet est ngligeable. Mais dans les circuits c. a.,comme le courant change continuellement, les condensateurs et lesenroulements ont des effets continuels sur ces circuits.

2.4 PHASEURSLes tensions et les intensits des circuits c. a. changentcontinuellement de faon sinusodale. Avec la thorie du courant c. a.,nous sommes concerns par lamplitude des courbes de tension etdintensit sinusodales, mais nous sommes galement concerns parla phase (langle entre les crtes) rattache ces courbes. Il existe denombreuses mthodes mathmatiques pour reprsenter ces courbessinusodales. La mthode utilise le plus souvent en lectricit est celledu diagramme de phaseur.

Figure 10

Courbe sinusodale et phaseur

V1

V1


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16

Notes Un phaseur ressemble beaucoup un vecteur, mais ce nen est pas un.Un vecteur reprsente une grandeur et une direction. Un phaseurreprsente une grandeur et un angle. La manipulation des quantitsrattaches aux phaseurs (addition ou soustraction) obit cependant aux

mme rgles que celles des vecteurs. La reprsentation dune courbesinusodale par un phaseur peut paratre un peu irraliste, mais pourcomparer des courbes sinusodales, rien nest plus pratique.

Figure 11

Reprsentation de deux tensions par un phaseur

La figure 11 illustre un diagramme de phaseur reprsentant deuxtensions qui ne sont pas en phase et dont lamplitude nest pas gale.Nous voyons dans ce diagramme que V2 est plus grand que V1 et queV2 devance V1 par langle .

2.5 LMENTS DUN CIRCUIT c. a.

2.5.1 Rsistances

Les dispositifs rsistifs se comportent en c. a. de la mme faon quenous lavons vu prcdemment en c. c. et de grandes quantitsdnergie sont dissipes par ces dispositifs.

V1

V2 V2

V1


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17

Notes:Notes

Figure 12

Reprsentation dun circuit rsistif par un phaseur

2.5.2 InducteursLes inducteurs retardent la circulation du courant mais ne retirent

aucune nergie de ce courant.

Ce processus est similaire la pousse exerce sur une extrmit dunressort hlicodal. Cette pousse est retarde lautre extrmit duressort, mais lnergie produite par le ressort est gale celle qui lui at applique.

Si plusieurs inducteurs sont monts en srie ou si la taille duninducteur est augmente, leffet augmente (comme avec un ressort pluslong) et entrave un peu plus le mouvement. Si des inducteurs sontmonts en parallle, leffet diminue (comme avec plusieurs ressorts en

parallle). Les inducteurs (ou les ressorts) utilisent de lnergie, mmesils nen consomment pas. Comme le montrent les schmas suivants,les circuits c. a. inductifs obissent la loi dOhm de la mme faonque les rsistances. XL reprsente la ractance inductive dun inducteurdans la formule que nous avons dj vue : V= I XL.

V

V

I

I


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18

Notes

V

L

LL L

L

LL

LL

L LL

Current (I)Current (I)

With all 6 Inductances the same value (L)Current would be 6 times less

that of 1 Inductance (L)

With all 6 Inductances the same value (L)Current would be 6 times more

that of 1 Inductance (L)

ACPotentialSource

(V)

ACPotentialSource

(V)

Gen Gen

In both circuits the Current will lag the Voltage by 1/4 cycle

VV

SeriesCircuit

ParallelCircuit

Current (I) = Courant (I) AC Potential Source (V) = Source de potentiel c. a. (V)Gen = Alternateur Series Circuit = Circuit en srieWith all 6 Inductances the same value (L) Current would be 6 times less that of 1 Inductance (L)= Avec 6 inductances de mme valeur (L), le courant est 6 fois plus petit quavec une inductance (L)

Current (I) = Courant (I) AC Potential Source (V) = Source de potentiel c. a. (V)Gen = Alternateur Parallel Circuit = Circuit en parallleWith all 6 Inductances the same value (L) Current would be 6 times more that of 1 Inductance (L)= Avec 6 inductances de mme valeur (L), le courant est 6 fois plus grand quavec une inductance (L)In both circuits the Current will lag the Voltage by 1/4 cycle= Dans les deux circuits le courant est en retard sur la tension par 1/4 de cycle

Figure 13Circuit inductances c. a.

Ce quil faut bien garder en tte, cest laction retarde. Le courantcirculant dans un inducteur est retard par rapport la tension, commelindique le schma suivant :

Figure 14Phaseurs dun circuit inductif

2.5.3 CondensateursLa rame dune barque :

Les condensateurs peuvent tre imagins comme une rame plongedans leau et utilise pour ramer. Le mouvement de leau se produit lavant de la force produite par la rame de la mme faon que lecourant commence circuler avant que la tension ne soitcompltement applique. Plus la rame est grande ou plus le nombre de

V

I

I

90


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19

Notes:Notesrames places en parallle est important, plus le mouvement ducourant est important.

Un condensateur ou une rame en action utilise de lnergie mais nen

consomme pas. Comme le montrent les schmas suivants, les circuitsc. a. capacitifs obissent la loi dOhm de la mme faon que lesrsistances. XC reprsente la ractance capacitive dun condensateurdans la formule que nous avons dj vue : V= I XC.

C

CC C

C

CC

CC

C CC

Current (I)

Current (I)

With all 6 Capacitances (C) the same valueCurrent would be 6 times less

that of 1 Capacitance

With all 6 Capacitances (C) the same valueCurrent would be 6 times more

that of 1 Capacitance

ACPotentialSource

(V)

ACPotentialSource

(V)

Gen Gen

In both circuits the Current will lead the Voltage by 1/4 cycle

VV

SeriesCircuit

ParallelCircuit

Current (I) = Courant (I) AC Potential Source (V) = Source de potentiel (V)Gen = Alternateur Series Circuit = Circuit en srieWith all 6 Capacitances (C) the same value (L) Current would be 6 times less that of 1 Capacitance= Avec 6 condensateurs (C) de mme valeur (L), le courant est 6 fois plus petit quavec 1 condensateurCurrent (I) = Courant (I) AC Potential Source (V) = Source de potentiel c. a.Gen = Alternateur Parallel Circuit = Circuit en parallleWith all 6 Capacitances the same value (L) Current would be 6 times more that of 1 Capacitance= Avec 6 condensateurs (C) de mme valeur (L), le courant est 6 fois plus grand quavec 1 condensateurIn both circuits the Current will ad the Voltage by 1/4 cycle= Dans les deux circuits, le courant sajoute la tension par 1/4 de cycleFigure 15

Circuit capacitances c. a.Ce quil faut bien garder en tte, cest laction retarde. Le courantcirculant dans un condensateur est en avance par rapport la tension,comme lindique le schma suivant. Cest exactement le contraire avecun inducteur. Les condensateurs et les inducteurs sappellent pour cetteraison dispositifs complmentaires.

VI


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20

Notes Figure 16Phaseurs dun circuit capacitif

Nota : Avec les circuits lectriques c. a., le retard du courant traversantun inducteur idal ou lavance du courant traversant un condensateuridal est de 1/4 de cycle constant.

2.5.4 Circuits composants multiplesEn pratique, tous les circuits c. a. comprennent une combinaisondinducteurs, de condensateurs et de rsistances. Le courant peut tredcal de nimporte angle, dune avance de 90 un retard de 90 parrapport la tension. La plupart des circuits sont inductifs danslensemble et ont un angle de phase voisinant les 20 30.

Figure 17

Diagramme de phaseur dun circuit c. a.reprsentatif

Avec un circuit dot dune combinaison de rsistances, dinductanceset de capacits, le dphasage entre la tension et le courant dpend de lataille relative des composants. Le dphasage de 90 entre les lmentsractifs et inductifs peut rendre larithmtique des calculs quelque peufastidieux avec les circuits complexes. Cependant, avec de lapersvrance et de la tnacit, toutes les caractrisques des circuitspeuvent tre rduites une seule tension et une rsistance et uncondensateur ou un inducteur monts en srie. Voyons ici commentrsoudre les problmes poss par ce type de circuit.

Partons du principe que nous avons une rsistance de 20 monte ensrie avec un inducteur de 10 . Ce montage en srie est aliment parune source de 50 volts. Quel est langle de phase entre le potentiel et lecourant du circuit?

I

25 V


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21

Notes:Notes

Figure 18

Circuit lectrique simple

Comme les lments constituant limpdance causent un dphasage de90, les valeurs de ces lments ne peuvent pas se calculer par unesimple somme arithmtique, mais par le fameux thorme dePythagore.

Figure 19

Triangle dimpdances

Z R X L

= + = + =2 2 2 2

20 10 22 4.

= = =

tan tan .11

10

2026 6

X

R

l

Comme le circuit est inductif, le courant a un retard de 26,6 parrapport la tension.

2.5.5 MnmotechnieLe mot CIVIL permet de la manire indique ci-dessous de se

souvenir facilement du rapport existant entre la tension et le courant,avec les condensateurs et les inducteurs :

Z

R=20

X =10


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22

Notes

VC LII

V comes before (leads) I in an Inductor

I comes before (leads) V in a Capacitor

V comes before (leads) I in an Inductor = V prcde I avec un inducteurI comes before (leads) V in an Capacitor = I prcde V avec un condensateur

Figure 20

Mnmotechnie : CIVIL

2.5.6 La chaleur par rapport lintensit du courant dansune rsistance

Il est impossible de dtruire lnergie. Elle passe dune forme lautre.La chaleur est une des formes dnergie les plus connues. Si uncourant (I) est forc travers une rsistance (R) par lapplication dunpotentiel (V), lnergie lectrique est convertie en nergie thermique,comme lindique laugmentation de la temprature de la rsistance.Rappelons-nous que la puissance est la vitesse laquelle lnergie estconsomme. Lnergie dissipe par la rsistance quivaut donc lapuissance consomme par cette rsistance multiplie par le temps quedure la circulation du courant.

Dans ce cas, la puissance lectrique (en watts) consomme par une

rsistance quivaut au produit de la tension applique aux bornes decette rsistance par lintensit du courant circulant travers elle. Cettepuissance a pour nom puissance active ou puissance relle.

Nota : La chaleur peut tre produite que par une charge rsistive(friction lectrique) mais pas par une charge inductive ou capacitive.

La valeur de la puissance relle (P) consomme par la rsistance secalcule de la faon suivante :

Puissance = tension x intensit (P = V x I)

Nous savons dj quune tension (V) doit tre applique pour forcer lepassage dun courant (I) travers une rsitance (R). Nous pouvonsdonc dfinir la puissance dune autre faon :

Puissance = (intensit)2 x rsistance (P = I2 x R)


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23

Notes:Notes

~ R

Power Supplied

P=V x I

I

V

Power transformed to heat

P= I2x R

Voltage reaquired to force

current through resistor

V=I x R

Power Supplied = Puissance fournieVoltage reaquired to force current through resistor = Tension ncessaire pour forcer le courant travers la rsistancePower transformed to heat = Puissance transforme en chaleur

Figure 21La chaleur par rapport au courant dans une

rsistance

Nota : La puissance relle ne peut se produire que si lamplitude de latension augmente et diminue la mme cadence que celle delintensit, comme lillustre la figure suivante. Les deux valeurs sontalors dites en phase, ce qui ne peut se produire quavec une chargersistive.

Figure 22Puissance relle, tension et intensit

Avec les circuits c. a., le flux instantan de la puissance est toutmoment gal au produit de la tension par lintensit. Le flux de

puissance nest pas constant, mais fluctue avec la tension et lintensit.Lintgralit de la puissance par rapport au temps est lnergie fournieau circuit de charge. Avec un circuit purement rsistif, le produit de latension par lintensit est toujours positif. Au cours dun cycle c. a.complet., lnergie est fournie au circuit de charge.


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24

Notes2.6 PUISSANCE ACTIVE, PUISSANCE RACTIVE,

PUISSANCE APPARENTE ET FACTEUR DEPUISSANCE

Dans lexemple prcdent, nous avons li lnergie dissipe ou lachaleur produite par une rsistance la puissance lectrique applique cette rsistance. Comme nous lavons dj vu, au lieu demployerdirectement le terme dnergie lectrique, nous employonshabituellement en lectricit la quantit dnergie utilise pendant uncertain temps (ce qui dfinit la puissance). Il existe trois lments depuissance :

2.6.1 Puissance active - ou relle - mesure en watts (W)Comme nous lavons dj vu, la puissance active - ou relle - entranelexcution dun travail utile, et elle reprsente la puissance dissipe

par les charges rsistives. Cela commence avec la force motrice, quiest la vapeur faisant tourner les turbines dans les centrales nuclaires.La puissance active est donc commande en grande partie par la forcemotrice, qui est le flux de vapeur. Le rglage du flux de vapeur a unecertaine influence sur la puissance ractive de sortie des alternateurs cause de la raction dinduit. (Une explication sera donne plus loin ce sujet.)

2.6.2 Puissance ractive - mesure en voltampres ractifs(var)

La puissance ractive est change dans les circuits c. a. entrelalternateur et les circuits de charge ayant besoin de ces champs pourfonctionner. Comme nous lavons dj vu, la puissance ractive est lapuissance dissipe par les charges ractives (capacitives et inductives).Les formes dondes de la puissance ractive lie une chargecapacitive (figure 23) et une charge inductive (figure 24) sontindiques ci-dessous comme rfrence. Notons que la valeur moyennede la puissance ractive pure est de 0.


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25

Notes:Notes

Tension, intensit et puissance avec un condensateur

Figure 23Puissance ractive lie au condensateur

Mme si la puissance ractive est absolument ncessaire pour lescircuits c. a., elle leur impose une certaine consommation et ne permetdeffectuer aucun travail utile. La puissance ractive est commandepar la tension de sortie de lalternateur grce au rglage du courantdexcitation.

Figure 24Tension, intensit et puissance avec un inducteur

2.6.3 Puissance apparente - mesure en voltampres (VA)Est-ce quun alternateur (c. a.) fournit une combinaison de puissanceactive et ractive? La figure 25 est un schma reprsentatif de lapuissance apparente combine dans une charge active et ractive.


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26

Notes

Figure 25Tension, intensit et puissance avec un circuit dotdune combinaison de rsistance et dinductance

2.6.4 Puissance apparente

En pratique, la puissance apparente est significative comme unit decapacit nominale. Par exemple, la puissance apparente desalternateurs (c. a.) est produite une tension et une frquenceessentiellement constantes. La capacit de sortie nominale desalternateurs est donc indique en mgavoltampres (MVA). Lacapacit nominale des transformateurs et des moteurs est indique enMVA ou en kVA pour des raisons similaires.

Les centrales lectriques doivent produire de la puissance apparente,mais elles ne sont rtribues quen fonction de la puissance activeutilise par les clients. Le rapport de la puissance active la puissance

apparente est donc une grandeur dimportante. Ce rapport reprsente lefacteur de puissance. Cette grandeur peut aller de zro un, maislconomie lui dicte de se rapprocher le plus possible de lunit. Onpeut voir dans ce rapport une mesure de lefficacit dun systme danslutilisation de la puissance apparente pour effectuer un travail utile.La terminologie peut prendre dans ce domaine lune des formessuivantes :

Facteur de puissance = FP= Puissance relle/puissance apparente

= Watts/voltampres

Nota : Il existe un retard entre la puissance apparente et la puissancerelle. Ce retard correspond celui qui existe entre la tension etlintensit avec les charges ractives. Avec les charges capacitives, lefacteur de puissance est rattach une avance. Avec les chargesinductives, il est rattach un retard. La mesure de langle du facteurde puissance indique quel point la puissance apparente se rapprochedu fait dtre une puissance entirement relle ou du fait de fournir une


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27

Notes:Notes

Puissance apparente

Puissance ractive

Puissance active

charge rsistive pure. La valeur nominale du facteur de puissance peutse rsumer dans deux domaines dimportance :

Efficacit : Plus le facteur de puissance est petit (demand parle circuit de charge qui ncessite une quantit donne dnergieactive), plus le courant dbit par lalternateur et envoy travers le rseau de distribution lectrique est grand. Cela setraduit par des enroulements de plus grande taille, par despertes de charge plus importantes sur le rseau et par uneefficacit amoindrie.

Rgulation de la tension : Plus le facteur de puissance est petitet le courant produit par lalternateur est grand, plus les chutesde tension de ractance sont grandes sur la ligne. Cela setraduit par une tension plus petite au circuit de charge et doncpar une rgulation de la tension de moins bonne qualit sur le

rseau.Le rapport entre la puissance apparente, la puissance active et lapuissance ractive est la mme que celle qui existe entre les cts duntriangle rectangle.

Figure 26Triangle de puissance


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28

Notes

Les rapports suivants sappliquent entre la tension, lintensit, lapuissance apparente (U), la puissance active (P) et la puissanceractive (Q).

U2 = P2+Q2

U = VI

P = VI cos

Q = VI sin

Le facteur de puissance est gal au cos


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29

Notes:Notes2.7 CHAMP MAGNTIQUE PRODUIT PAR UN

COURANT CIRCULANT DANS UNCONDUCTEUR

Nous avons vu quun flux magntique est produit par un conducteurdans lequel circule un courant et que ce flux peut tre vu comme unchamp dot de lignes de force magntiques. Avec les moteurs, lesalternateurs et les transformateurs, le champ est concentr grce desenroulements ou des bobines de fils conducteurs, comme indiqu ci-dessous. Cela permet de transfrer de lnergie utilisable.

Right Hand = Main droite Direction of Flux = Direction du fluxConventional Current Direction = Direction conventionnelle du courant

Figure 27Flux magntique concentr

Dans le schma ci-dessus, les bobines de fils entourent une barre enmtal pour accentuer la concentration du flux. Cela forme unlectroaimant rudimentaire. La rgle de la main droite doit tremmorise car elle est pratique. Si la ou les bobines sont saisies enimagination avec la main dans le sens de la circulation du courant, lepouce indique la direction du flux magntique.

Un flux magntique concentr peut transfrer de grande quantits dedlectricit :

Il ragit aux autres champs magntiques

produisant une force.

Il cre des champs magntiques lintrieur etautour des conducteurs adjacents

La plupart des circuits de commande des centrales lectriquesappliquent de quelque faon ce principe de base. Ces circuits sonthabituellement dots de relais ou dlectroaimants. Les signaux de


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30

Notes commande qui excitent une bobine distance parviennent denombreux dispositifs, comme les dtecteurs logiques de tempratureou de pression. De son ct, la bobine attire une plaque en mtal surlaquelle sont fixs des contacts qui mettent sous tension dautres

dispositifs.

Avant de continuer, nous devons tudier leffet dunflux magntique sur un conducteur.

2.8 TENSION INDUITE SUR LESCONDUCTEURS PAR UN CHAMPMAGNTIQUE CHANGEANT

Si un champ magntique est rapproch dun conducteur, il se courbeautour de ce conducteur de la faon illustre par la figure suivante.

Notons la prsence des champs, autour du conducteur, au centre (vueen coupe), et laimant (les deux ples sont montrs) se dplaant versle bas.

Direction of force exerted on conductor by magnetic field= Direction de la force exerce sur un conducteur par un champ magntique

Figure 28Tension produite sur un conducteur par un champ

magntique

Pour le conducteur de la figure 28,

une force sexerce sur le conducteur;

un champ magntique se forme autour du

conducteur;

un potentiel pouvant permettre deffectuer untravail se dveloppe.

mesure que le champ magntique se dplace sur le fil conducteur, delnergie est transfre de ce champ ce fil et un potentiel se forme enmme temps que le champ se dplace.


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31

Notes:Notes

Figure 29Tension produite sur une bobine par un champ

magntique

Lamplitude de la force lectromotrice commandant ce phnomnepeut se montrer facilement. Dans la figure 29, ci-dessus, une sourceconcentre de flux magntique (un aimant) est introduite dans unebobine et en est sortie du mme ct. Les effets de ce mouvementpeuvent tre observs sur un voltmtre.

Souvenons-nous de la rgle de la main droite et remarquons quelaiguille du voltmtre se dplace droite puis gauche du zro quandlaimant se dplace en entrant puis en sortant de la bobine. La tensionainsi produite est donc sensible en polarit et en direction. Lamplitudede la tension augmente par ailleurs en fonction de la vitesse dumouvement.


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32

Notes 2.8.1 Fonctionnement du transformateurEn combinant les deux principes vus plus haut, nous avons le principedu fonctionnement du transformateur :

Si un courant alternatif (I1) est forc par un potentiel (V1) travers unconducteur, un champ magntique constitu de lignes de force (M)stablit autour de ce conducteur.

Si un champ magntique (M) se dplace par rapport un conducteur,un potentiel (V2) est produit sur ce conducteur. Cela permet de fournirun courant (I 2) un circuit de charge branch.

Dans lexemple suivant, comme les deux bobines partagent le mmeflux (M), les forces lectromotrices dentre et de sortie sontproportionnelles au nombre de spires formes par le conducteur autour

de ce flux :E2/E 1 =N2/N1

Ou bien, la tension de sortie = V2 = V1 x (N2/N1)

Figure 30Transfert dlectricit

Malgrs sa simplicit, ce principe forme la base de tous lestransformateurs. Du plus gros des transformateurs de puissancejusquau plus petit des transformateurs de commande logique, la seulediffrence se trouve dans la construction, qui dpend de la tension, dunombre nominal de kVA et de la frquence du courant alternatif.

2.8.2 Force magntique exerce sur un conducteur par lequelpasse un courant

Les rubriques prcdentes nous ont permis dexaminer la forcemagntique sexerant sur un conducteur et la force lectromotrice (latension) produite grce a. Si le conducteur forme une boucle


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33

Notes:Notesferme, cette tension cre un courant dans ce conducteur. Le signe +plac sur les schmas indique la queue de la flche qui montrerait lesens du courant. Si le courant est forc travers le conducteur par unpotentiel extrieur, la raction au champ magntique extrieur

augmente. Toute augmentation du courant dans la bobine entrane uneaugmentation proportionnelle de la force sopposant au champmagntique.

La figure 31, ci-dessous, montre les effets de la prsence dune boucleconductrice dans un champ magntique.

Figure 31Boucle conductrice de courant dans un champ

La coupe transversale de la figure 32, ci-dessous, montre que si un

courant lectrique est forc travers le fil conducteur par un potentiellectrique extrieur, le ct A est pouss vers le bas et le ct B estpouss vers le haut. La boucle conductrice essaie ensuite de tournerdans le sens antihoraire. Ce principe de rotation forme la base dufonctionnement de tous les moteurs lectriques. Notons par ailleurs enpassant que la force cre par le courant c. c. dans la bobine forme leprincipe de lexcitation c. a. du rotor (lment rotatif) des alternateurs.Le fonctionnement des alternateurs est trait plus loin dans ce module.


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34

Notes

Figure 32Force magntique exerce sur une boucle

conductrice de courant

Le schma prcdent illustre le principe du fonctionnement desmoteurs c. c., mais ce principe sapplique aussi aux moteurs c. a. Lafigure suivante illustre un moteur c. a. en srie en montrant le

mouvement du courant aux deux sens de circulation du courantalternatif. Notons quun couple constant est produit dans le mme sensmme avec un courant alternatif.

Figure 33

Principe du moteur c. a.

Le courant alternatif qui alimente linduit du centre au moyen desbalais en carbone est invers chaque demi cycle. Cette maniredappliquer le courant permet au champ stationnaire et au champrotatif de garder le mme sens relatif. Le terme commutation estsouvent utilis dans ce cas. La rotation du moteur est ainsi maintenue

constante dans le sens horaire.

2.8.3 Tension induite sur un conducteurJusque l, nous avons examin les divers rapports qui existent entre latension, le courant et le flux magntique ainsi que les appareils quimettent en uvre ces principes :


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35

Notes:Notes Principe du transformateur - Champ magntique cr par unconducteur par lequel passe un courant et tension induite par unchamp magntique changeant.

Principe du moteur lectrique - Force produite par un champmagntique sur un conducteur par lequel passe un courant.

Nous allons maintenant examiner la tension produite sur unconducteur par un champ magntique en rotation. Pour faciliter lesexplications, voyons dabord cela avec un champ magntiquestationnaire et un conducteur en rotation.

Si le conducteur a la forme dune bobine tournant vitesse constante(figure 34), la force lectromotrice produite (et mesure aux bagues decontact rotatives) change de sens des intervalles qui correspondent

la rotation de la bobine et change constamment de valeur. Cela donneun alternateur lmentaire produisant la forme donde illustre lafigure 35.

Figure 34Rotation dans un champ magntique dune bobine

dans laquelle passe un courant


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36

Notes

START = DMARRAGE 1/4 CYCLE = 1/4 CYCLE 1/2 CYCLE = 1/2 CYCLE3/4 CYCLE = 3/4 CYCLE VOLTAGE = TENSION

Figure 35Forme donde produite par un alternateur (c. a.)

Notons quau schma prcdent (figure 35), les points situs et du cycle sont ceux auxquels la vitesse de traverse du flux estmaximale et sont donc les points de tension E maximale. La tensionminimale a lieu au dbut et du cycle. La forme donde produiteporte le nom de sinusode ou donde sinusodale.

En pratique, la boucle est stationnaire (stator) et le champ magntiqueest en rotation dans cette boucle. Cela permet de construire desbobines de sortie de stator plus robustes que les bobines du champ enrotation. Les bobines du champ magntique peuvent tre consitues defils fins formant de nombreuses spires autour de llment rotatif(rotor) et tre alimentes par le courant c. c. (excitation). Le principede fonctionnement est montr ci-dessous (figure 36). Il demeure lemme que celui vu prcdemment.


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37

Notes:Notes

1 revolution = 1 tour 1 cycle = 1 cycle

Figure 36Alternateur (c. a.) monophas simplifie

PlesIl est important de savoir que les figures prsentes jusque l nontillustr quun seul tandem de ples. Cela nest voulu qu des finsdanalyse et de facilit de reprsentation. La force motrice doriginedoit faire tourner lalternateur 60 tours par seconde (3 600 tr/min)pour quune forme donde de 60 Hz (60 cycles/seconde) soit produite.Les alternateurs entrans par leau 300 tr/min doivent videmmenttre dots de 12 tandems de ples. Contentons-nous de dire que lenombre de ples na deffet que sur la vitesse laquelle doit tourner lerotor. Le principe fondamental reste le mme.

Courant triphasEn pratique, la plupart des alternateurs (c. a.) produisent du couranttriphas. Les circuits triphass sont simplement forms de trois circuitsmonophass placs 1/3 de tour ( 1200) les uns des autres. Lescircuits triphass offrent de nombreux avantages, dont les plusnotables sont les suivants :

Ils sont plus comiques produire et utiliser;

ils permettent de bien quilibrer les forcesimposes larbre.


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Notes

Simplified 3 Phase AC Generator = Alternateur triphas simplifiFigure 37

Alternateur (c. a.) triphas simplifiDans un alternateur rel, les ples et les bobines ne sont videmmentpas aussi prononcs que dans les exemples illustrs. Pour diminuerlentrefer (qui peut provoquer un affaiblissement considrable du fluxmantique) et augmenter lefficacit, les enroulements du rotor et dustator sont constitus de nombreuses bobines insres dans des fentesdu fer de lalternateur. Le rotor, qui est cylindrique, tourne grandevitesse et est refroidi par un circuit forc (dans lequel circulehabituellement de lhydrogne gazeux). Un trs petit espace, lentrefer,

existe entre le rotor et le stator (qui est lextrieur). Ce typedalternateur est illustr la figure 38. Noublions pas quavec lesalternateurs courant triphas, chaque phase atteint sa crte dans unordre qui correspond au passage du champ des rotors dans les bobines,ce qui produit trois formes donde sinusodale identiques et dcalesde 1/3 de cycle.


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Notes:NotesCLof Stator & Rotor

Voltage E being induced instator conductors

FluxRotorConductors

Rotor

DirectionofRotation

ofRotor

F

C L of Stator & Rotor = Axe du stator et du rotor Direction of Rotation of Rotor = Sens de rotation du rotorRotor Conductors = Conducteurs du rotor Rotor = RotorVoltage E behing induced in stator conductors = Tension E induite dans les conducteurs du stator Flux = Flux

Figure 38Gnratrice c. a. triphase avec enroulements

insrs

2.9 CONNEXIONS EN TRIPHASLes trois enroulements des alternateurs courant triphas sontnormalement connects entre eux pour produire justement un couranttriphas. Il existe deux faons deffectuer ces connexions. Chaqueenroulement peut avoir une extrmit connecte un point commun ouneutre pour former un circuit en toile ou chaque enroulement peut

avoir une extrmit connecte celle de lenroulement voisin pourformer un circuit en triangle.

DELTA = TRIANGLE START = TOILE

Figure 39Connexion entre les enroulements


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Notes Chaque type de connexion prsente des avantages et desinconvnients. Habituellement, la connexion en toile est utilise parles sources dalimentation lectrique.

Ce type de connexion offre un point trs pratique pour raccorder lescircuits la terre. La meilleure faon de rsoudre les srieuxproblmes de scurit qui se posent consiste raccorder la terre defaon sre et permanente un point du ciruit lectrique situ le plus prspossible de la source de lalimentation.

Figure 40Connexion en toile avec mise la terre

Les circuits de charge sont raccords soit des connexions en trianglesoit des connexions en toile pour des raisons qui tiennent surtout

lconomie. Les connexions en toiles sont utilises lorsquil se peutque les charges ne soient pas quilibres (partages galit) entre lestrois phases. Le conducteur neutre permet des courants nonquilibrs de circuler, tensions et charge demeurant nanmoinsquilibres.

2.10 CIRCUITS MAGNTIQUESLe fonctionnement de la plupart des machines c. a. (moteurs,alternateurs et transmormateurs) dpend normment du champmagntique. Les masses ferreuses de ces machines offrent un passage

au champ magntique. Certains phnomnes intressants se droulentdans ces masses et il en sera question dans les rubriques suivantes.

2.10.1 Courant de FoucaultLe courant de Foucault est un courant lectrique qui circule dans lamasse ferreuse des machines c. a. Pour produire des tensions, unchamp magntique et des conducteurs sont ncessaires et un certain


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Notes:Noteschangement doit soprer entre eux. Dans une machine c. a., le champmagntique est en phase avec le courant, et change donccontinuellement. La masse ferreuse est conductrice et des tensions ysont induites, avec circulation dun courant. Ces tensions sont faibles,

mais le courant peut tre fort. Ce courant provoque un chauffage de lamasse ferreuse.

Si rien ntait fait lors de la construction des machines, les massesferreuses risqueraient de devenir extrmement chaudes et la perte depuissance risquerait dtre norme. Ces masses sont donc fabriques partir de fines feuilles de mtal qui permettent de rompre la continuitde la conduction, ce qui affaiblit le courant de Foucault.

2.10.2 Hystrsis

Lhystrsis est un phnomne qui prend place dans les massesferreuses des machines. Une certaine quantit dnergie est ncessairepour magntiser le fer. Les diples magntiques du fer doivent trealigns. Le champ magntique extrieur au fer agit sur ces diples etles force saligner. Dans la masse ferreuse des machines c. a., lesdiples sont continuellement raligns et de lnergie est donccontinuellement perdue dans cette masse. Cette perte dnergie semanifeste par un chauffement de la masse ferreuse. Les pertespouvant tre causes par lhystrsis peuvent tre amoindries parlutilisation dun acier facile magntiser.

Lhystrsis et le courant de Foucault se produisent toujours en mmetemps. Ils sont aussi insparables que Laurel et Hardy ou le sel et lepoivre. Ils dpendent tous deux du champ magntique changeant dansla masse ferreuse et provoquent tous deux le rchauffement de cettemasse. Pour parler en technicien, ils forment ensemble lorigine de laperte dans le fer. Une partie de lalimentation lectrique de toutemachine c. a. se manifeste par lchauffement du fer, ce qui indique uncertain manque defficacit.

2.10.3 Saturation magntiqueLe fonctionnement de la plupart des machines lectriques dpend duncircuit magntique. Ce circuit est toujours en fer et ses propritsfacilitent le changement de lamplitude et de la direction du champdans linduit. La saturation du fer par le champ magntique est une deslimites caractrisant les circuits magntiques.

Le champ magntique est produit par le passage dun courant traversune bobine qui enveloppe une masse ferreuse. mesure que le courantaugmente dans la bobine, le champ magntique augmente dans le fer.


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Notes Au dbut, le rapport de grandeur entre le courant et le champ estpratiquement proportionnel. Si le courant est doubl, le champ estdoubl aussi. Mais le fert finit pas tre satur par le champmagntique, il devient de plus en plus difficile daugmenter la force du

champ et la demande de courant augmente en consquence. Le rapportexistant entre la force du champ et le courant se modifie. Il passe dunesituation o des changements relativement petits du courant causent degrands changements du champ magntique une situation o degrands changement du courant sont ncessaires pour obtenir de petitschangement du champ magntique.

Rated flux level = Niveau de flux nominal Saturated Region = Rgion satureKnee or Working Point = Coude ou point de fonctionnementRated mmf = Force magntomotrice (Fm) nominalemmf at 1.1rated = Fm 1,1 de la Fm nominale mmf = Force magntomotrice (Fm)

Figure 41Courbe de saturation reprsentative

La plupart des appareils lectriques sont destins fonctionner en deade la rgion de saturation, et toute intrusion dans la rgion desaturation a des consquences facheuses. La plupart de nos machines(transformateurs, alternateurs et moteurs lectriques) fonctionnent encourant alternatif et leur fonctionnement dpend de tensions induitesdans des enroulements. Les tensions induites dpendent de la vitessede changement du champ magntique dans un induit. Le rapportexistant entre le champ magntique et la tension induite est rgi par laloi de Faraday.

dt

dNe

=

Loi de Faraday

e = tension induite

N = nombre de spires de la bobine


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Notes:Notes = champ magntique

t = temps

La tension et la frquence du flux dune machine c. a. sont absolumentlies. Si la tension du circuit augmente une frquence donne, laforce du champ magntique de la machine augmente obligatoirement.Si la frquence (qui est lie la vitesse de changement du flux)diminue, le champ magntique doit augmenter pour maintenir unetension fixe.

La plupart des machines sont destines fonctionner avec un champmagntique situ juste en dea de la rgion de saturation. Si le champmagntique augmente dune valeur voisinant les 10 %, linduit estsatur. Un courant important provoque un rchauffement importantdes enroulements (I2R).

Linduit des machines c. a. est chauff par le changement continu duchamp magntique. Ce changement continu provoque des pertes parcourant de Foucault et par hystrsis dans linduit. Le courant deFoucault est un courant lectrique produit lintrieur mme du fer delinduit. Le chauffage se produit lectriquement. Les pertes parhystrsis sont des pertes intrieures linduit et sont lies la forcencessaire au changement de direction et damplitude du champ danscet induit. Ce sont l des effets de chauffage magntique. Si

lamplitude du champ magntique augmente, les effets de chauffagepar courant de Foucault et par hystrsis augmentent galement.

2.11 CONVERTISSEURS DEPUISSANCE

Le couplage direct des moteurs et des alternateurs permet de crer unegrande diversit de dispositifs convertisseurs de puissance. La forcemotrice (moteur) peut se caractriser comme suit :

c. c. nimporte quelle tension c. a. monophas

c. a. triphas

60 Hz ou frquence adapte au rseaudalimentation (c.--d. 50 Hz)


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Notes La sortie dun alternateur peut par ailleurs tre de nimporte typeprcdent. Dans lindustrie et les usines, les convertisseurs depuissance robustes les plus conomiques sont les groupes moteur-alternateur adapts la source et la taille et au type de charge. De

nombreuses alimentations lectriques sans coupure sont de nos joursdes dispositifs transistors, mais si des circuits de conversion c. c. c. a. robustes sont ncessaires, lutilisation des groupes moteur-alternateur simpose.

2.12 ISOLATION DES MACHINESLa cause de panne dlectricit la plus frquente est la dgradation etla rupture (par dcharge) de lisolant. Il est donc indispensable dementionner ici les effets de lenvironnement sur lisolation desmachines lectriques.

Lisolation lectrique peut tre liquide ou solide ou bien organique ouinorganique. Les matires isolantes organiques comprennent lmail,le vernis, la rsine ou les polymres appliqus sur les lments en acierpour crer une forte rsistance entre les surfaces (entre lesenroulements), comme dans la plupart des machines refroidies lairet des transformateurs immergs dans lhuile.

Les gros transformateurs sont immergs dans de lhuile minrale purepour tre mieux isols et pour que la chaleur quils produisent soitmieux dissipe par les radiateurs extrieurs, les ventilateurs et les

pompes qui peuvent les desservir. Lisolation intrieure de cestransformateurs est souvent en papier imprgn dhuile et enroulautour des conducteurs.

Les matires isolantes organiques peuvent tre une combinaisondoxyde de magnesium, de silicate, de phosphate et de poudre decramique. Ce type disolant est habituellement trait thermiquementau contact de lacier. Il est moins courant que lisolation organique.

Quel que soit leur type, les deux principales causes de dtriorationdes isolants sont lhumidit et la chaleur.

2.12.1 Humidit excessiveAvec les machines lectriques refroidies lair, le taux dhumidit delair est un lment important. Avec le temps, de minusculescraquelures se forment dans les isolants. Lhumidit sintroduit par cescraquelures et offre un trajet lectrique qui favorise les courts-circuitsentre les enroulements adjacents. La tension existant entre cesenroulements est trs faible, mais si un courts-circuits se forme, il offre


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Notes:Notesune boucle au flux magntique et permet un courant phnomnal depasser. Cela dtruit habituellement la machine, qui doit alors tredpose pour tre remplace ou recevoir de nouveaux enroulements.

Avec les machines refroidies lhuile, (c.--d. les transformateurs),lhumidit ne peut tre dcele quau moyen de prlvements dhuilerguliers. Lhumidit est absorbe par lhuile en passant par lereniflard. Cette absorption est cause par les cycles de chauffage et derefroidissement continuels. Des dessicateurs dair spciaux (c.--d. desDrycol) et des lments absorbants peuvent aider ralentirlabsorption de lhumidit par lhuile.

Avec les transformateur remplis dhuile, il est important de noter quilsuffit de trs peu dhumidit pour diminuer normment la valeurisolante de lhuile. Il suffit de 30 parties deau par million de parties

dhuile pour diminuer la valeur isolante de 50 %.

2.12.2 Temprature excessivement leveAvec les machines lectriques refroidies lair, le maintien prolongde tempratures leves provoque un vieillissement thermique.Lisolant devient friable et la panne peut se produire cause duneinfiltration dhumidit (de la faon vue plus haut) ou cause duncontact entre les conducteurs.

Avec les transformateurs remplis dhuile, leffet de dtrioration delisolation porte le nom de vieillissement de lisolant. Le vieillissementchimique se produit plus vite temprature leve. La dure utile delisolant diminue de faon exponentielle par rapport la temprature.Par exemple, si la valeur disolation nominale dun isolant standard estde 65 0C (augmenttation de temprature), la diminution de la dureutile de cet isolant passe de 0,001 % par heure 100 0C 0,05 % parheure 140 0C et 1,0 % par heure 180 0C. Traduits en dure utiletotale prvisible pour cet isolant, ces chiffres donnent 11,4 ans 100 0C, 83 jours 140 0C et 100 heures 180 0C. Il est facile de voirlimportance dune bonne tenue de registre quotidien pour noter lestempratures de fonctionnement et maintenir les appareils lectriques une temprature ambiante assez basse.


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Notes2.13 QUESTIONS DE RVISION - PRINCIPES

FONDAMENTAUX DE LLECTRICIT

1. Donner la signification des termes suivants et indiquer les units etsymboles correspondants couramment utiliss

a. courant,b. potentiel,c. rsistance,d. capacite. flux magntique,f. inductance,g. frquence,

h. ractance,i. impdance,j. puissance active,k. puissance ractive,l. puissance apparente,m. facteur de puissance.

2. Une rsistance de 5 est branche sur une pile de 25 volts.Quelle est lintensit du courant dans ce circuit?

3. Une rsistance de 10, une rsistance de 5 et une rsistance

de 2 sont montes en srie. Ce montage est branch sur unepile de 10 volts. Quelle est lintensit du courant dans cecircuit?

4. Une rsistance de 10, une rsistance de 5 et une rsistancede 2 sont montes en parallle. Ce montage est branch surune pile de 10 volts. Quelle est lintensit du courant dans cecircuit?

5. Un circuit est consitu dune rsistance et dun inducteurmonts en srie avec un interrupteur et une pile. Effectuer uncroquis montrant la circulation du courant et la chute de tension

travers linducteur depuis le moment ou linterrupteur estferm jusquau moment ou le circuit atteint un tat stable.

6. Un circuit est consitu dune rsistance et dun condensateurmonts en srie avec un interrupteur et une pile. Effectuer uncroquis montrant la circulation du courant et la chute de tension travers le condensateur depuis le moment o linterrupteur estferm jusquau moment o le circuit atteint un tat stable.


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Notes:Notes7. Soit un circuit c. a. 100 V et 60 Hz dot dun condensateur de26,5 F. Quelle est lintensit du courant dans ce circuit? Quelrapport existe entre la tension et lintensit avec ce circuit?

8. Un inducteur de 0,265 H est branch sur une alimentation de 20 Vet 60 Hz. Quelle est lintensit du courant dans ce circuit? Quelrapport existe entre lintensit et la tension avec ce circuit?

9. Une alimentation c. c. de 100 V est raccorde une rsistance de20 . Quelle est la puissance de ce circuit?

10.Une alimentation c. a. de 100 V est raccorde une rsistance de50 . Quelle est la puissance de ce circuit?

11.Une alimentation c. a. de 100 volts est raccorde un condensateurdont la ractance c

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Principes de science et de fonctionnement des réacteurs – Électricté