REDRESSEURS 1 ONDULEURS - comptoireolien.fr · Les redresseurs Les onduleurs Les hacheurs Les générateurs de courants spéciaux . Support de cours CIFODE’Com 2 FONCTION ENERGIE

Support de cours CIFODE’Com

ENERGIE

REDRESSEURS ET ONDULEURS

PROGRAMME Première journée

Introduction et rappels

1. Equipement d’une installation électrique 2. Classification des installations électriques 3. Structure du réseau d’alimentation électrique 4. Classification des charges en télécommunication

Charges continues Charges alternatives

Deuxième journée

1. Mode d’alimentation des systèmes de télécommunication Structure d’une station d’énergie Equipements d’une station d’énergie

2. Caractéristiques du niveau primaire 3. Caractéristiques du niveau secondaire 4. Caractéristiques du niveau tertiaire

Troisième journée

Sources d’énergie en télécommunication

Introduction Sites raccordés au réseau publique Sites isolés Sources électromécaniques

Quatrième et cinquième journée

Les convertisseurs statiques Les redresseurs Les onduleurs Les hacheurs Les générateurs de courants spéciaux


2

FONCTION ENERGIE EN

TELECOMMUNICATION

I – 1 :Généralités sur l’énergie électrique I - -1 – 1 : Utilité de l’énergie électrique

L’énergie électrique est la forme d’énergie la plus utilisée à notre époque et la

plus facile à transporter, elle sert à alimenter les installations suivantes :

Eclairage

Entraînement (transport, robotique, industrie, militaire, domestique…) Conditionnement (chauffage, climatisation, ventilation…)

Electronique (informatique, audio-vidéo…) Télécommunication

O Terminaux O Commutation O Transmission

I - -1 – 2 : Equipement d’une installation électrique

Energie Source Charge Electrique

Cette installation comprend quatre types d’équipements :

Machines électriques (transformateurs, machines tournantes à courant

continu ou à courant alternatif) Appareillages électriques (coupure, protection, contrôle, connexion…) Convertisseur on distingue :

Le redresseur ∼/= L’onduleur =/∼ Hacheur =/=

Utilisation Ligne électrique

Equipement de ligne générateur

Source primaire


3

3 à 15 KV

(2) : Transport

MT/HT

HT/MT

(3) : Distribution (4) : Utilisation

MT/MT

MT/BT

MT/BT

L1

L3 L2 L4

L5 L6

L7

L8

L9

Gradateur ∼/∼ Filtre

câble de liaison (transport, distribution, commande, instrumentation, …)

I - -1 – 3 : classification des installations électriques Selon le type de courant

o courant continu

o courant alternatif

selon le niveau de tension

o Basse tension : BT U < 1 KV

o Moyenne tension : MT 1 KV <U< 60 KV

o Haute tension : HT 60 KV <U< 275 KV

o Très haute tension : 275 KV <U< 1000 KV

o Ultra haute tension : U≥ 1000 KV

I - -1 – 4 : Structure du réseau d’alimentation électrique

Le réseau national (STEG) d’alimentation en énergie électrique comprend quatre

parties (la production, le transport, la distribution et l’utilisation).

Alternateur

Le niveau de tension pour la connexion au réseau électrique (BT, MT ou HT)

dépend de la puissance des charges utilisée.

(1) : Production


4

I - -1 – 5 : Structure de la distribution

Les réseaux de distribution sont classées en trois catégories selon le mode de

raccordement du centre de télécommunication au réseau STEG. On distingue :

A. Réseau en antenne

Le raccordement s’effectue par simple dérivation. C’est le raccordement le plus

simple et le moins coûteux mais si un incident affecte le câble d’alimentation tous les

abonnés situés en aval seront isolés.

B. Réseau en boucle

Le réseau en boucle peut se faire à partir d’une seule source. Chaque poste de

transformation est alimenté par deux voies (lignes) distinctes. Les sectionneurs

permettent d’isoler le tronçon atteint.

Charge

HT/MT

MT/BT MT/BT

MT/BT

Charge

HT/MT

MT/BT

MT/BT

MT/BT

MT/BT


5

C. Réseau maillé

Chaque charge (poste de transformation) est alimenté par plus de deux voies

distinctes. Le risque de coupure du courant devient très faibles, mais ce mode de

raccordement qui est très onéreux n’est pas employé en Tunisie pour l’alimentation des

centres de télécommunication.

I – 2 : Classification des charges en télécommunication

Le fonctionnement des systèmes de télécommunication ainsi que leur

environnement nécessite des tensions très diverses. On distingue :

A. charges continues équipement de commutation : 5, 12, 24, 48 V équipements de modulation : 25 V équipement de transmission télégraphique : ± 12 V, ± 24, ± 48 télé alimentation (transmission) : 70 mA sous 1400 V

B. charge alternative informatique et utilitaire : 50 Hz / 220 V courant d’appel : 25 ou 50 HZ / 85 V courant de tonalité : 440 Hz / 3 V

Charge

MT/BT

HT/MT HT/MT

MT/BT

MT/BT

MT/BT

MT/BT MT/BT


6

I – 3 : Mode d’alimentation des systèmes de télécommunication

L’installation d’énergie d’un centre de télécommunication doit permettre une

alimentation en permanence des systèmes de commutation de transmission quelque soit

l’état du réseau de distribution du courant électrique (réseau STEG).

Cette permanence de l’alimentation est assurée grâce à des batteries

d’accumulateurs jouant le rôle de réservoir d’énergie. Afin de limiter le coût de ce

stockage électrochimique, le réseau STEG est secouru par des sources autonomes

(groupe électrogène, turbine à gaz…).

La chaîne d’alimentation se présente comme une succession d’équipements

réalisant de conversions du courant électrique à trois niveaux :

a. le niveau primaire comprend l’arrivée de l’alimentation (poste de

transformation MT / BT sur la ligne STEG et les sources autonomes) et le tableau général

basse tension (TGBT) qui sert d’interface de raccordement avec le niveau suivant.

Exemple : pour le central ELKABAH : 30 KV (1 ou 2 lignes) variation limite de

la tension ± 5% et de la fréquence ± 1%.

b. Le niveau secondaire comprend les batteries d’accumulateurs associées à des

convertisseurs statiques pour former l’alimentation sans coupure (UPS : Interrupted

Power Supply). Il s’agit d’une source centralisée (appelée station d’énergie) qui délivre

une tension continue nominale de 48 V sans coupure. La distribution est assurée par

l’intermédiaire de coffrets auxiliaires appelés armoire d’alimentation. Les

caractéristiques de cette tension sont : ≈ 48 V ± 5 V et positif à la terre (phénomène

d’électrolyse). c. Le niveau tertiaire regroupe des convertisseurs continu – continu et continu –

alternatif et des générateurs de courants spéciaux permettant de générer les différents

niveaux de tension exigés à partir de la tension continue de 48 V. la sécurité de l’alimentation électrique est renforcée aux différents niveaux décrits

ci-dessus par deux moyens :

Une structure modulaire : marche en parallèle, redondance ou

commutation normale / secours.

Un ensemble d’appareillage de coupure, de protection et de

commande (sectionneurs, inverseurs, disjoncteurs, relais…).


7


8

EQUIPEMENTS DE LIGNE

II – 1 : Appareillage électrique basse tension

II – – 1 – 1 : règles d’installation

Les règles d’installation prévues par la nome NFC 15 – 100 imposent la

réalisation pour les circuits d’alimentation en énergie électrique les fonctions suivantes :

Sectionnement pour la mise hors tension du circuit d’utilisation Protection contre les courts-circuits du circuit d’alimentation Commande marche / arrêt automatique Protection contre les courants de surcharge Coupure de sécurité ou arrêt d’urgence

1. Sectionneur : appareil de coupure à vide manœuvrable à la main. Il peut

comporter des dispositifs de protection contre les court-circuits.

M 3~

Sectionneur (1)

Disjoncteur (2)

Contacteur (3)

Relais thermique (4)

Arrêt d’urgence(5)


9

2. Disjoncteur : permet la protection contre les courts-circuits. Le dispositif de

protection n’est efficace que si son pouvoir de coupure est supérieur à la valeur maximale

du courant de court-circuit. Symbole du disjoncteur magnéto-thermique

3. contacteur : appareil permettant la coupure en charge, il est manœuvrable à

distance. 4. relais thermique : permet la protection contre les surcharges (courant

supérieur à la valeur nominale).il agit également en cas de coupure d’une phase et ceci

grâce aux bras différentiels.

Symbole

1 3 5

2 4 6

F 97 98

95 96

Schéma de commande

Schéma de puissance

× × ×Q


10

Constitution

5. coupure de sécurité : (arrêt d’urgence) assurée par un organe unique,

rapidement reconnaissable et facilement accessible mettant hors tension la machine.

II – – 1 – 2 : Commande marche / arrêt

Cette fonction est assurée par un circuit de commande agissant sur le circuit de

puissance par l’intermédiaire d’un contacteur.

Arrivée du courant Système de déclenchement Réglage du calibre de déclenchement Départ courant Elément bimétallique Contact auxiliaire Bouton de réarmement

LMN LD

A M

Arrêt d’urgence

KM

KM1

M 3 ~

RT

KM 2


11

II – – 1 – 3 : Coordination et sélectivité des protection

a. définition :

La coordination consiste à placer aux points clés de l’installation (arrivée,

dérivation, circuits terminaux) des organes de protection (fusibles, disjoncteurs…)

capables en cas de surcharge ou de courts-circuits de réagir de façon telle que la surface

perturbée du réseau soit la plus faible possible.

Une coordination de qualité doit entraîner la réaction (ouverture) de l’appareil de

protection situé immédiatement en amont du défaut, et de lui seul. Cette capacité,

accordée au réseau par le choix judicieux de ses dispositifs de protection, est par ce que

l’on appelle : la sélectivité.

b. Degré de sélectivité :

Dans le domaine des protection à maximum de d’intensité on distingue deux

degrés de sélectivité : la sélectivité totale ou partielle.

Sélectivité entre deux disjoncteurs

A

B

Récepteur

Récepteur

Récepteur

Récepteur

×

×

Icc

Si seul B s’ouvre, quelle que soit la valeur du courant Icc, c’est la sélectivité totale.

Si B s’ouvre jusqu’à un courant présumé de court circuit Icc’ < Icc et ensuite si A s’ouvre, donc A et B sont ouverts. C’est la sélectivité partielle.


12

Sélectivité entre deux disjoncteurs différentiels dans une installation

domestique

De ce fait, le différentiel retardé encore désigné par un disjoncteur de

branchement différentiel sélectif, doit être placé en tête d’une installation où tous les

départs divisionnaires (c’est-à-dire les circuits alimentant les appareils terminaux) sont

protégés par des différentiels instantanés de façon à assurer une bonne sélectivité des

protections.

c. Techniques de sélectivité :

Les techniques de sélectivité se différencient selon le choix des paramètres

caractéristiques de l’appareil de protection à prendre en compte (valeur du courant de

fonctionnement, temps de réponse, type de coupure). En basse tension les deux

techniques de sélectivité les plus utilisées sont :

la sélectivité ampère métrique la sélectivité chronométrique

Remarque : Les disjoncteurs conçuspour assurer la protection despersonnes contre les contactsindirects sont équipés dedéclencheur instantané avec destemps de déclenchement constant(30 ms) dès que le courant dedéfaut est situé dans leur plage dedéclenchement.

Si Id est compris entre 30 et 100 mA,seul B s’ouvre.

Si Id > 500 mA, A et B s’ouvrent enmême temps. Il n’y a donc pas unebonne sélectivité. La solution consiste donc àutiliser un différentiel retardé(sélectif) pour A.

B

Récepteur

Récepteur

Récepteur

Récepteur

×

×

× ×

A

500 mA

30 mA

Id


13

II – 1 – 4 : Principe des disjoncteurs différentiels

a. Principe de fonctionnement :

1°) cas : pas de défaut I1=I2

2°) cas : défaut d’isolement

Le flux φ1 produit par la bobine 1 est supérieur au flux φ2 produit par la

bobine 2 : apparition d’un flux variable dans le tore et d’une f.e.m. induite « e » aux

bornes de la bobine sonde ( loi de Lenz ) qui va alimenter un relais , il y aura

déclenchement du disjoncteur si le défaut est dangereux pour les personnes.

b. Conditions de déclenchement :

Le relais doit déclencher lorsque la tension de contact devient dangereuse

pour les personnes, il faut tenir compte des tensions de sécurité en fonction du degré

d’humidité définies par la NORME

Exemple : en alternatif

Locaux non mouillés : 50v ( habitation )

Locaux mouillés : 25v ( chantiers )

Locaux exposés : 12v ( piscines )

Si Uc > Ul : déclenchement

Le disjoncteur différentiel doit déclencher dès que l’on a

Uc > Ul ⇒ If > Uc / Ru

Ul tension de sécurité en fonction du local

Il existe des disjoncteurs différentiels de

Moyenne sensibilité : 1A,650mA,500mA,300mA,100mA

Haute sensibilité : 30mA,12mA,6mA

c. Choix de la sensibilité :

Pour obtenir une protection correcte il faut choisir une sensibilité tel que :

Le flux φ1 produit par la bobine 1 est égal au flux φ2 produit par la bobine 2 Le flux résultant dans le tore=0 donc U=0 à la bobine sonde .

Bobine sonde


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∆I < Ul / Ru ; ∆I : sensibilité maximale choisir ∆I inférieur pour obtenir une

meilleur protection

Exemples : dans une habitation avec locaux mouillés et une résistance de la prise

de terre de 37Ω.Quelle devra être la sensibilité du disjoncteur différentiel à utiliser ?

Ul = 25v ∆I = Ul / Ru 25 / 37 = 0,675A On prendra le disjoncteur

avec une sensibilité de 650mA

Dans une habitation avec locaux mouillés , on place un disjoncteur

différentiel ayant une sensibilité de 500mA. Quelle devra être la résistance de la prise de

terre ? Peut-on augmenter ou diminuer cette résistance ?

Ru = Ul / ∆I ⇒ Ru = 25 / 0,5 Ru = 50Ω Si on augmente la résistance If

plus petit donc le disjoncteur ne déclenchera pas. Il faut obtenir Ru < à 50Ω , en

pratique Ru = 48Ω maximum

II – 1 – 5 : Protection contre les surintensités :

On trouve un dispositif magnéto-thermique

• Constitution

Disjoncteur en position ouverture 1 Contacts 2 Dispositif magnétothermique 3 Tore ferromagnétique 4 Bobine détectant I1 5 Bobine détectant I2 6 Bobine sonde 7 Relais de déclenchement 8 Bouton d’armement mise en route 9 Bouton arrêt Liaison mécanique Disjoncteur en position fermeture

Accrochage

4

3

7

8

21

5

6


15

• Chois du disjoncteur

Pour choisir un disjoncteur, il faudra tenir compte :

- tension d’alimentation

- sensibilité en fonction du local et de la prise de terre

- de l’intensité nominale dans le circuit ( calibre )

- pouvoir de coupure

Exemples de caractéristiques de disjoncteurs différentiel Calibre de réglage

Résistance nominale de terre

Tension de sécurité

sensibilité

Plage de sensibilité

bipolaire tétra polaire

Pouvoir de coupure

48Ω 96Ω

24v 48v

500mA 250 à 500

5/15 10/30 30/60

10/30 30/60

1500 1500 2400

80Ω 160Ω

24v 48v

300mA 150 à 300

10/30 30/60

10/30 30/60

3000 3000

400Ω 800Ω 1600Ω

12v 24v 48v

30mA 15 à 30

10/30 30/60

10/30 30/60

3000 3000

• Conclusion

Le disjoncteur différentiel est constitué de différents éléments qui assurent chacun

une fonction

Désignation de l’élément

Fonction assurée Symbole

Contacts Principaux

Etablir ou interrompre

Dispositif Thermique

Protection contre les faibles Surcharges ou surintensités

Dispositif Magnétique

Protection contre les fortes surcharges Et les cours circuits

Dispositif Différentiel

Protection contre les défauts d’isolement Par rapport à la terre

Liaison mécanique


16

Remarque : on trouve des disjoncteurs sans dispositif différentiel

II – 2 : Règles de sécurité :

II – 2 - 1 : Protection des personnes :

a. Normes et réglementation :

Dans une installation basse tension la protection des personnes doit être réalisée

conformément :

• Au décret sur la protection des travailleurs • Aux arrêtés et notes techniques du recueil UTE C 12-100 • A la norme NFC 15 – 100 • Aux règles et recommandations spécifiques à l’exploitation (exemple :

Tunisie télécom. Arabsat, tunis-air, Opat,…).

Le non respect de ces prescriptions et textes réglementaires peut être la cause des

dangers suivants :

• Graves accident corporels pour les personnes : brûlures, blessures, asphyxie, mort

• Détérioration de matériel : incendie, explosion.

b. Danger du courant électrique :

Le choc électrique ressenti par une personne est dû à l’intensité du courant qui le

traverse. Ce courant est donné à partir de la loi d’Ohm en fonction de la différence de

potentiel à la quelle la personne est soumise et la résistance de la personne au passage du

Disjoncteur monophasé différentiel Disjoncteur monophasé

Disjoncteur triphasé + neutre différentiel


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courant. Cette résistance dépend de la tension de contact, de sa fréquence et de l’humidité

du corps humain, elle varie entre 325Ω et 5000 Ω.

Une personne normale peut supporter sans danger une intensité de 30 mA en

courant alternatif et de 50 mA en courant continu. Ces valeurs limites varient en fonction

de la personne et de la durée du contact avec le courant.

Les accidents d’électrocution sont classés en deux catégories en fonction de la

nature du contact accidentel. On distingue :

• Les contacts directs : la personne est en contact avec les parties actives du

matériel électrique (conducteurs, pièces sous tension,…)

• Les contacts indirects : la personne est en contact avec une masse mise

accidentellement sous tension à la suite d’un défaut d’isolement (armoire

de distribution, chassie,…)

Intensité Durée Influence sur le corps humain 0-1 Indéterminée Pas d’influence perceptible 1-15

Indéterminée Contraction des muscles et difficulté à lâcher

prise 15-30

Quelques minutes

Douleur à peine supportable, contractions des muscles des bras Difficultés respiratoires, augmentation de la tension artérielle

30-50

Quelques secondes Quelques minutes

Augmentation de la tension artérielle Inconscience et fibrillation du cœur lors d’un contact prolongé, forte contraction des muscles

50-500 < 1 pulsation > 1 pulsation

Puissant effet de choc, pas de fibrillation sauf si le passage du courant s’effectue lors d’une pulsation sensible Evanouissement et fibrillation, marques de courant, mort à court terme possible

>500

< 1 pulsation > 1 pulsation

Evanouissement, marques de courant, mort instantanée possible Evanouissement , marques de courant, brûlures. Arrêt du cœur avec possibilité de réanimation

L’effet du courant alternatif sue le corps humain


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c. Protection contre les contacts directs :

La norme NFC 15 – 100 impose les mesures suivantes :

• Protection par isolation des parties actives

• Protection par éloignement

• Protection au moyen d’obstacles (enveloppe, grillages, écrans,…)

• Verrouillage mécanique ou électrique des enveloppes (porte, panneau,

tiroir,…)

• Les interventions sur le matériel en service doivent être effectuées par un

personnel qualifié (emploi de gants, tapis, outils isolés,…)

• Respect des valeurs des tensions de service

d. Protection contre les contacts indirect :

Les deux moyens de protection exigés par la réglementation sont :

• La mise à la terre des équipements : toutes les masses du matériel

électrique de l’installation et tous les éléments conducteurs accessibles doivent être

respectivement reliés à la terre par un conducteur de protection.

• La coupure automatique de l’alimentation : elle doit permettre d’éliminer

un défaut en un temps d’autant plus court que la tension de contact est plus élevée. Le

choix des dispositifs de protection pour assurer cette fonction dépend du régime du

neutre de l’installation électrique.

II – 2 - 2 : Mise à la terre :

La mise à la terre des équipements permet de contribuer à la sécurité des

personnes, la protection du matériel et le bon fonctionnement des systèmes de

télécommunication.

a. Prise de terre :

C’est une (ou plusieurs) pièces conductrice enterré qui permet une liaison

électrique avec la masse terrestre. Cette prise de terre est considérée comme référence de

potentiel zéro et ne doit écouler aucun courant en service normal. Selon la nature du

terrain et de la valeur de la résistance de terre exigée, on distingue pour la prise de terre

les modes suivants :

• Piquet vertical, en acier galvanisé ou cuivré, lorsque le sous sol est plus

conducteur que la couche superficielle.


19

• Grillage disposé horizontalement pour les sols rocheux.

• Boucle à fond de fouille : pour les bâtiments des télécommunications, elle

consiste à ceinture le bâtiment avec un conducteur multibrins en cuivre enrobé de plomb

(de section 50 mm²) dans la fouille des fondation. La ceinture sans discontinuité est

ramenée à l’intérieur du bâtiment sous forme de boucles sur des plaques de

raccordement.

b. Résistance de terre :

C’est la résistance entre une prise de terre et un point de la terre suffisamment

éloigné pour que le potentiel de ce point ne soit pas sensiblement modifié lorsqu’un

courant s’écoule par la prise de terre.

Les valeurs de la résistance de terre spécifiées en télécommunication sont :

• Grand centre : RT ≤ 1 Ω

• Centre satellite : RT ≤ 5 Ω II – 2 - 3 : Régime du neutre :

Les régimes du neutre caractérisent la présence ou l’absence de liaisons

électriques entre le neutre, la terre et la masse. Chaque régime du neutre est repérer par

deux lettres définies comme suit :

• Première lettre : situation du neutre par rapport à la terre

o T : liaison directe du neutre à la terre

o I : absence de liaison du neutre à la terre, ou liaison par

l’intermédiaire d’une impédance.

• Deuxième lettre : situation des masses de l’installation

o T : liaison des masses à une prise de terre distincte

o N : liaison des masses au neutre

Dans la pratique les trois régimes du neutre utilisés sont :

a. Neutre à la terre (TT)

Le neutre est relié à la terre et les masses sont interconnectées et mises à la terre


20

Avec ce mode, chaque défaut d’isolement entraîne une coupure. C’est la solution

la plus simple à l’étude et à l’installation et ne nécessite pas de surveillance particulière.

La protection des personnes contre les contacts indirectes est réalisée par un

disjoncteur à dispositif différentiel à courant résiduel (DDR) à moyenne ou basse

sensibilité.

b. Mise au neutre (TN)

Le neutre et le conducteur de protection (PE) sont confondus et mis à la terre

L1 L2 L3 N

RA

Id

Masses interconnectées et mises à la terre

RB

Neutre relié directement à la terre

Id

Id

Id DR

DR : Dispositif différentielId : Courant de défaut

RB

Neutre relié directement à la terre

L1 L2 L3 PEN

Masse reliée au conducteur PEN mis à la terre en différents points de l’installation

Schéma TNC : neutre et conducteur de protection confondus

RA


21

Ce mode entraine une coupure de l’alimentation au premier défaut d’isolement.

Le schéma (TN) permet une économie à l’installation (suppression d’un conducteur)

mais nécessite un contrôle périodique de la continuité du conducteur de protection et des

prises de terre uniformément réparties dans toute l’installation. Ce mode nécesste aussi

un vérification obligatoire des déclenchements au premier défaut. Il augmente les risques

d’incendie du fait des forts courants de défauts.

En régime (TN), la protection des personnes contre les contacts indirects se

réalise par les dispositifs de protection contre les surintensités.

c. Neutre isolé ou indépendant (IT)

Le neutre est isolé ou présente une impédance par rapport à la terre, les masses

sont interconnectées et mises à la terre.

RB

Neutre relié directement à la terre conducteur de protection relié au neutre

L1 L2 L3 N PE

Masse reliée au conducteur de protection, conducteur de protection mis à la terre en différents points de l’installation

Schéma TNS : neutre et conducteur de protection séparés

RA

L1 L2 L3 N PE

RA

Id

RB

13 2

4


22

Ce mode n’entraîne une coupure de l’alimentation que pour deux défauts

d’isolement simultanés. Il nécessite alors une signalisation du premier défaut avec

recherche et élimination obligatoire de ce défaut. Ce schéma assure la meilleure

continuité de service en exploitation.

Pour assurer la protection des personnes il faut surveiller le premier défaut par

contrôleur permanent d’isolement et garantir une coupure au deuxième défaut par une

protection de surintensité (disjoncteur ou fusible).

d. Choix d’un régime du neutre

Les trois régimes sont équivalents sur le plan de la protection des personnes si

toutes les règles d’installation et d’exploitation sont respectées. Le choix du régime du

neutre doit résulter d’une concertation entre l’utilisateur et le concepteur du réseau en

tenant compte des :

• Caractéristiques de l’installation

• Conditions et impératifs d’exploitation

• Recommandations et législation en vigueur (décrets, arrêtés…)

Exemple de choix :

TT : bâtiments domestiques, petit atelier, établissement d’enseignement avec locaux

techniques…

IT : circuits de sécurité, salles d’opération des hôpitaux, mines et carrières…


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SOURCES D’ENERGIE EN TELECOMMUNICATION

III – 1 Introduction

De peint de vue .alimentation en énergie électrique, on distingue les centres de

télécommunication raccordés au réseau publique de distribution et les centres isolés.

III – 1 -1 Sites raccordés au réseau publique

Dans œ cas, le centre est alimenté par:

1. une ou plusieurs lignes moyenne tension (10 ou 30 KV) avec postes de trans-

formation MT /BT.

2. Des sources autonomes comme alimentation de secours. On distingue:

- Le groupe électrogène

- La turbine à gaz

- Les batteries d'accumulateurs

III – 1 - 2 Sites isolés

Dans ce cas, le centre est alimenté uniquement par des sources autonomes dont

les plus utilisés en Tunisie sont:

- Le groupe électrogène

- La turbine à gaz

- Les batteries d'accumulateurs

- Les générateurs photovoltaïques

- Les générateurs éoliens

Il existe d'autres sources autonomes utilisées en télécommunication mais non

utilisées en Tunisie. fi s'agit en particulier des sources suivantes:

- Hydroélectricité (nécessite une chute d'eau)

- Hydrogène (propre mais cher, danger d'explosion, stockage et transport

onéreux) - Charbon et bois (nécessite une supervision continue).

- Géothermie (abondante mais conversion difficile)

- Biomasse (solution futuriste)

- Radioactivité (cher. protection onéreuse)


24

III – 2 Sources électromécaniques

Les sources électromécaniques utilisent le principe de la conversion du travail

mécanique en courant électrique. Ces sources sont composées d'une machine électrique

(génératrice) entraînée par un moteur mécanique. Il existe différents types de sources

selon le type de la machine électrique (machines à. courant continu ou à. courant

alternatif) et celui du moteur d'entrain ment (moteur thermique, turbine à. gaz, turbine

hydraulique,... ).

Nous nous limitons dans ce document au cas du groupe électrogène qui est le

plus utilisé comme source autonome en télécommunicatIon.

Le groupe électrogène est composé d'un moteur diesel qui entraîne une

machine

synchrone appelé alternateur, Pour comprendre le fonctionnement de cette source

nous commençons par l'étude de l'alternateur.

III – 2 - 1 L’alternateur

III – 2 - 1 – 1 Principe physique

Coupe transversale d'un alternateur élémentaire

Un alternateur élémentaire (figure ci-dessus) comporte les deux parties suivantes:

- Un rotor muni d'un enroulement parcouru par un courant continu" Ii" (courant

inducteur ou d'excitation) et entraîné par le moteur mécanique à une vitesse

angulaire "Ω".


25

- Un stator (fixe) présentant deux encoches dans lesquelles est placé une bobine

de "N/2" spires (N: nombre total de conducteurs actifs).

a) Champ tournant L'inducteur (rotor) crée dans la machine un champ magnétique à deux pôles

(Nord, Sud) qu'il entraîne avec lui dans sa rotation.

Le long de l'entrefer l’onde de champ est l'ensemble des projections sur tous les

rayons de la machine, d'un vecteur" B" dirigé suivant l'axe rotorique.

En un point "M" de l'entrefer d'abscisse

angulaire" α = (OX, OM)" dans un repère lié au rotor, le champ a pour expression:

BM = B cosα Dans un repère fixe (Oy) lié au stator on a: α = θ - ωt et l'expression du champ devient:

BM = B cos(ωt - α)

Le champ magnétique représente alors une onde progressive.

b) f.e.m induite Les conducteurs situés dans les encoches de l'induit (stator) coupent les lignes

de champ, donc sont le siège de forces électromotrices (f.e.m) induites:

- L : longueur des conducteurs situés dans le champ e = B.l.v avec

- V = r.Ω : vitesse de rotation linéaire

- r : rayon de l'entrefer

ce qui nous donne : e = l.r.Ω. B cos(ωt - θ)

Phase 1: θ (1) = π/2 ⇒ el = (N/2).l.r. Ω. B cos(ωt - θ)

Phase 2: θ (2) = -π/2 ⇒ e2 = - (N/2).l.r. Ω. B cos(ωt + θ) = (N/2).l.r. Ω. B cos(ωt - θ)

La f.e.m totale induite dans la bobine est:

e = e1 + e2 = N. l.r. Ω. B cos(ωt - θ)


26

Le vecteur f.e.m « e » est en quadrature retard par rapport au vecteur champ

tournant

" B" qui lui a donné naissance ((Oy, e) = (ωt - -π/2 )). Cette est caractérisée par :

- Sa fréquenœ: f = (ω/2π) = n avec "n" la vitesse de rotation en (tr/s) du rotor.

- Sa valeur efficace : E = π√2NlrnB

III – 2 - 2 – 1 Alternateur autonome

Nous considérons le cas d’un alternateur autonome entraîné par un moteur

diesel (groupe électrogène). Cet alternateur doit délivrer un système triphasé équilibré de

tensions sinusoïdales présentant les deux propriétés suivantes:

- Une fréquence constante (f = 50Hz).

- Une valeur efficace des tensions (U = 380 V) constante quel que soit le courant

débité par l’alternateur.

Pour obtenir ce fonctionnement l'alternateur industriel est obtenu à partir de

l'alternateur élémentaire en ajoutant les améliorations suivantes:

a) Enroulement triphasé

Le stator comporte trois bobines (1,1 '); (2;2'); (3,3') identiques et régulièrement décalées

de 2π/3. On obtient ainsi trois f.e..m "el, e2, e3" triphasées.

Remarque: En général les phases statoriques sont couplées en étoile.

b) Machine multipolaire Pour une machine bipolaire (nombre de paire de pôles : p = l), on a : f = n.

Donc pour obtenir f = 50Hz il faut avoir n = 50tr / s => n = 3000 tr / mn.

Cette vitesse de rotation nécessite pour l'entraînement une turbine à vapeur. Donc

cet alternateur ne convient pas aux moteurs diesels qui ont une vitesse plus faible. L'idée


27

pour obtenir une fréquence de 50 Hz avec une vitesse inférieur à 3000tr /mn est

d'augmenter le nombre de pôles de l'alternateur.

Constitution : L'inducteur comporte "p" bobines connectées en série, il crée le

long de l'entrefer une onde de champ magnétique présentant "p" pôles Nord et "p" pôles

Sud. L'enroulement statorique doit présenter le même nombre de pôles; c.à.d "p" bobines

pour chaque phase.

Coupe transversale d'un alternateur multipolaire

BM = B.cos (pα) ⇒ BM = B.cos(ωt - pα)

Avec ω = p.Ω ⇒ f = p.n ; p : nombre de paires de pôles.

c) Schéma équivalent de l'alternateur En régime permanent le fonctionnement de l'induit est décrit par le modèle de

Behn-Eschenburg. Le schéma équivalent pour une phase de l'alternateur est le suivant:

V : tension simple d'une phase

E : f.e.m à vide de l'alternateur

Z : impédance synchrone

Z = R + j. Pour la machine synchrone on a en général R << X ⇒ Z ≈ j X.

V

R jX

E


28

d) Caractéristiques de l'alternateur

- Caractéristique externe: C'est la courbe de la tension de sortie en fonction du

courant d’induit « V = f( I) », tracée à fréquence de rotation constante et à

courant d'excitation d'intensité constante. Pour obtenir un fonctionnement

nominal, en charge, il faut tolérer à vide une surtension importante quand la

charge n'est pas capacitive.

- Caractéristique de réglage : C'est la courbe du courant d'excitation en fonction

du courant d'induit" Ii = f(I)", tracée à fréquence de rotation constante et à une

tension d'induit constante. Pour maintenir constante la tension pour une charge

inductive, il faudrait augmenter l'intensité du courant d'excitation.

e) Circuit d'excitation

Le rotor est un électroaimant tournant qui doit être alimenté en courant

continu. Ce courant continu est fourni par un circuit d'excitation qui est basé sur

l'utilisation de l'un de ces moyens ( voir figure suivante).

- Génératrice à courant continu

- Redressement de la tension du réseau

- Excitation indépendante: machine reliée au réseau

- Auto excitation : alternateur isolé

f) Régulation de la tension

A l'aide des courbes de réglage, il est possible de mettre en oeuvre le circuit qui

en fonction du courant débité et du déphasage réglera automatiquement le courant

d'excitation à la valeur qui est nécessaire au maintien d'une tension de sortie constante

Excitation avec génératrice à C-C Excitation statique en dérivation

Exemples de circuits d'excitation


29

III – 2 - 2 – 3 Moteur d'entraînement

Le moteur d'entraînement est un moteur à combustion interne (moteur diesel) et

à quatre temps qui utilise le "gas-oil" comme carburant.

a) Démarrage du moteur

Le degré de sécurité de l'alimentation d'un centre de télécommunication dépend

de la disponibilité du groupe électrogène. Cette disponibilité repose essentiellement sur la

fiabilité des systèmes de démarrage. Les dispositifs de démarrage les plus utilisés sont: le

démarrage pneumatique, démarrage électrique et le démarrage par' inertie.

b) Préchauffage du moteur

Pour faciliter le démarrage du moteur (viscosité de l'huile) et permettre une prise

en charge rapide du groupe, on maintient en permanence le bloc moteur à une

température voisine de 30° C en insérant des résistances dans le circuit' d'eau et

éventuelle- ment sous le carter d'huile. L'alimentation des résistances est prise entre deux

phases; un thermostat coupe le circuit de réchauffage lorsque la température de consigne

est atteinte.

c) Régulation de vitesse

La vitesse du moteur d'entraînement détermine la fréquence du courant et

impose le nombre de pôles de l'alternateur. Cette vitesse fixée à 1500 tr/mn est au

minimum stabilisée à ±:4 % près, entre la marche à vide et la pleine charge, grâce à un

régulateur centrifuge à masselottes qui dose le débit du carburant dans la pompe à

injection. Il existe par ailleurs des régulateurs à servo commande hydraulique.

d) Sécurités

Le démarrage automatique et la télésurveillance du fonctionnement des

groupes exigent la présence d'organes de contrôle et de détection destinés à provoquer

l'arrêt automatique du moteur. Il s'agit de surveiller en particulier les températures d'eau

et d'huile. la pression d'huile, et la vitesse de rotation.


30

LES CONVERTISSEURS STATIQUES

IV – 1 : Fonction principale :

Les convertisseurs statiques ont pour fonctions principales :

o transformation, o conversion, o distribution de l’énergie électrique

Ils assurent la transformation du courant alternatif en courant alternatif, du

courant alternatif en courant continu ou vice versa ou du courant continu en courant

continu. Ils sont employés avec les réseaux de distribution d’énergie électrique ou des

systèmes d’alimentation similaires.

Les convertisseurs statiques sont des montages d'électronique de puissance qui

assurent la conversion de l'énergie électrique. La puissance de sortie est aux pertes près

égale à celle d'entrée seule la présentation est modifiée. Les montages de base des

convertisseurs statiques sont: le redresseur, le hacheur, l'onduleur et le gradateur.

Le fonctionnement de ces montages est basé sur la commutation de courants entre

mailles adjacentes de circuits électriques. Cette commutation est assurée par des

interrupteurs à deux états (ouvert, fermé). Ces interrupteurs sont des semi-conducteurs de

puissanœ utilisant les propriétés de conduction unidirectionnelle des jonctions P- N. Les

composants actifs utilisés sont: les diodes, les transistors, les thyristors et les triacs.

IV – 2 : Les redresseurs

Les redresseurs assurent le conversion du courant alternatif en courant continu.

Dans le centre d'énergie les redresseurs constituent avec les batteries d'accumulateurs une

source d'énergie centralisée délivrant la tension de 48 V. L "étage redresseur comporte

essentiellement les circuits suivants:

Un transformateur d'alimentation

Un pont de redressement

Un filtre de sortie

Un dispositif de régulation de tension et de limitation d'intensité

a) Classification des redresseurs:

Les montages redresseurs sont classés comme suit:


31

Selon la tension du côté alternatif: en redresseurs monophasés et

triphasés.

Selon la forme d'onde du côté continu: en redresseurs simple alternanœ

(ou demi~onde) et redresseurs double alternanœ (ou pleine onde).

Selon le type des composants de puissance utilisés: en redresseurs non

commandés (t9ut diodes), redresseurs commandés (tout thyristors) et

redresseurs semi- commandés (ponts mixtes: diodes et thyristors).

Chaque type de redresseur est définit par sa topologie (schéma électronique).La

caractérisation d'un montage redresseur nécessite l'étude des grandeurs suivantes:

Ondes courant et tension du côté de la charge pour vérifier la qualité de

redressement obtenue (conformité au cahier des charges).

Ondes courant et tension aux bornes des semi-conducteurs de puissance

pour leur dimensionnement.

Ondes courant et tension du côté alternatif pour analyser la pollution

provoquée

sur le réseau alternatif.

b) Redressement monophasé simple alternance:

La topologie du montage ainsi que les formes d'ondes relatives à ce type de

redressement sont présentées sur le schéma de la figure suivante pour une charge

résistive.

Ce type de redresseur est caractérisé par les grandeurs suivantes:

La valeur moyenne de la tension de charge : Urmoy = Um / π

La valeur efficace de la tension de charge : Ureff = Um / 2

Le facteur de forme de la tension de charge: Ff = Ureff / Urmoy = π / 2

Z. BEN ABDALLAH 10/2004

32

La tension inverse maximale aux bornes de la diode de puissanœ : Vdim=Um

c) Redressement monophasé double alternance:

Le redressement double alternance peut être obtenu avec un montage à point.

milieu ou en pont de Graëtz.

Sur une charge résistive les grandeurs caractéristiques sont:

La valeur moyenne de la tension de charge: Urmoy = 2Um / π

La valeur efficace de la tension de charge : Ureff = Um / √2

Le facteur de forme de la tension de charge: F f = Ureff / Urmoy = π / 2√2

La. tension inverse maximale aux bornes d'une diode de puissance : VDim = Um

Le développement en série de FOURIER de la tension redressée permet de déterminer

le taux d'ondulations : TO = Ureff / Urmoy ≈ 0.48

Comparaison des deux montages:

Pour un même rapport de transformation.. la tension moyenne de charge est deux fois

plus élevée dans le montage en pont.

Pour une valeur crête "Um" de la tension redressée, la tension inverse maximale aux

bornes d"une diode est deux fois plus grande dans le montage à. point milieu.

Compte tenu des chutes de tension directes dans les diodes, le montage à. point milieu

présente un rendement plus élevé que le montage en pont, particulièrement en basse

tension.


33

d) Redressement triphasé simple alternance:

La topologie du montage ainsi que les formes d'ondes relatives à ce type de

redressement sont présentées sur le schéma de la figure ci-dessus pour une charge

résistive.

A tout instant c'est la diode dont le potentiel d'anode est le plus élevé qui conduit, d'où

une extinction naturelle et une commutation naturelle d'une diode vers la suivante.

Chaque diode conduit pendant un tiers de période. La tension redressée pré- sente trois

maximums par période, d'où une ondulation de fréquence trois fois la fréquenœ du côté

alternatif.

La valeur moyenne de la tension de charge : VLmov = (3√3 Vm) / 2π

La tension inverse maximale aux bornes d'une diode de puissanœ : VDim = √3 Vm

Ce type de redressement qui est très simple n'est pas utilisé dans les redresseurs de

puissanœ car le courant primaire est très déformé.

e) Redressement triphasé double alternance:

Dans le cas d'une charge résistive (voir figure ci-dessous), deux phases et deux

diodes en série, débitent à tout instant le courant de charge iL. Le courant est

bidirectionnel dans chaque enroulement secondaire.


34

A tout instant la tension continue instantanée de charge « VL » est la plus grande

des différences entre les trois tensions de phase « VI, V2, V3 » La tension redressée pré-

sente 6 maximums par période d'où une ondulation de fréquenœ "6f. Le facteur de forme

est très voisin de 1 et le taux d'ondulation est très faible,

La valeur moyenne de la tension de charge : VLmov = 3 Um / π ; Um = √3 Vm

La tension inverse maximale aux bornes d'une diode de puissance: VDim = Um

f) Redressement commandé:

Dans les installations industrielles, il est toujours nécessaire de stabiliser la

tension de sortie à la valeur désirée. Avec les montages à diodes, cette stabilisation

nécessite l'association de dispositifs électromagnétiques ou électromécaniques qui

ajustent autbmatiquement la tension d'entrée.

L'utilisation des composants commandables tels que les thyristors et les

transistors permet de stabiliser directement la tension de sortie en contrôlant la

conduction. En télécommunication, on utilise généralement des redresseurs commandés

en ponts mixtes (voir figure ci-dessus) associant des diodes et. des thyristors.

Redressement monophasé (Pont mixte)

Redressement triphasé (Pont mixte)


35

En appliquant une impulsion positive sur l'électrode du thyristor (gâchette) lorsque

sa tension Anode-Cathode est positive, le thyristor s'amorœ, Le thyristor ne se bloque

qu'après annulation du courant direct qui le traverse.

On contrôle la tension moyenne redressée en agissant sur l'angle de retard à

l'amorçage.

g) Bruit et perturbations :

La commutation forcée des thyristors donne naissanœ à. des oscillations "haute

fréquenœ" (entre 100 KHz et 1 MHz) susceptibles de perturber les transmissions radio-

électriques ou le fonctionnement des autres équipements dans l'espace voisin du

redresseur.

Les redresseurs, qui alimentent les équipements terminaux (postes) et les liaisons

urbaines (circuits HF), sont susceptibles de provoquer un bruit audible (ronflement)

lorsque l'ondulation de redressement, ou l'un de ses harmoniques, sort des limites

prescrites (tensions alternatives admissibles sur l'alimentation 48 V C-C).

Pour atténuer les perturbations, par rayonnement, des dispositions sont prises au

niveau du montage redresseur (circuits RC, blindages,...). Les perturbations par

conduction dans les câbles d'alimentation sont atténuées par des dispositions prises au

niveau du transformateur d'alimentation (découplage entre le primaire et le secondaire,

condensateurs d'antiparasitage,...).

IV – 3 : Les onduleurs

Nous allons présenté l'onduleur autonome. Ce type de convertisseur assure la

transformation continu-alternatif quand du côté alternatif il n'y a que des récepteurs. C'est

l'onduleur qui impose la fréquence et la forme d'onde de la tension alternative fournie à la

charge.

Selon la nature de la tension de sortie on distingue les onduleurs monophasés et ,

les onduleurs triphasés. Selon le mode de fonctionnement fréquentielles onduleurs sont

classés comme suit :

Onduleurs à fréquence fixe: pour les alimentations électroniques.

Onduleurs à fréquence variable: pour la commande des machines électriques.

Onduleurs d'entretien de circuits oscillants (exemple: fours à induction).

Dans les œntres de télécommunication, on utilise des onduleurs monophasés

autonomes à fréquence fixe de puissance comprise ente 1 et 10 KVA. Selon le nombre


36

d'interrupteurs (semi-conducteurs de puissanœ) il existe deux types de montages :

l'onduleur à point milieu et l'onduleur en pont.

1 ) Onduleur monophasé à point milieu:

L'onduleur à point milieu permet d'obtenir une tension alternative à partir d'une

tension continue en utilisant deux interrupteurs de puissance. Selon l'emplacement du

point milieu on distingue les deux structures suivantes:

- Onduleur à point milieu du côté sortie avec un transformateur à point milieu.

- Onduleur à point milieu à l'entrée grâce à une source continue à point milieu.

La première structure est la mieux adaptée aux applications en

télécommunication.

Onduleur monophasé à point milieu

2 ) Principe de fonctionnement:

La fermeture du thyristor "Thl" doit provoquer l'ouverture de "Th2" pour ne

pas avoir un court-circuit.

Remarque: Les onduleurs dans le centre d'énergie alimentent

principalement des charges à. caractère inductif (R,L) ce qui nécessite de brancher

en parallèle de chaque thyristor une diode de puissance. Ces diodes dites de "roue

libre" permettent de récupérer l'énergie emmagasinée dans le circuit inductif.

IV – 4 Les hacheurs Ce sont des convertisseurs continu-continu qui permettent de faire varier la

valeur moyenne du courant continu de charge. Cette fonction est obtenue en

modifiant de façon périodique les connexions entre la source continue et la charge

continue.


37

Deux familles de convertisseurs continu-continu. faisant appel au même

principe du découpage de la tension d'alimentation, sont utilisées dans les

télécommunications :

- Les convertisseurs régulés en tension ou à tension constante qui

alimentent les systèmes de commutation électronique et les équipements

MULTIPLEX en transmission analogique ou numérique.

- Les convertisseurs régulés en intensité ou à intensité constante qui servent à la

télé alimentation des liaisons analogiques ou numériques sur paires coaxiales et

sur paires symétriques.

a) Convertisseur à tension constante:

Ce convertisseur est destiné à assurer les fonctions suivantes

- Adapter et stabiliser la tension de sortie compte-tenu des variations de la

tension d'entrée et de la charge.

- Se protéger contre les surcharges et les courts-circuits d'origine externe

par une limitation du courant de sortie.

- Assurer une isolation galvanique entre la source d'énergie et l'utilisation

(transformateur).

- Convertir l'énergie avec un très bon rendement

- Délivrer une tension dépourvue d'harmoniques notamment dans la bande

des fréquences vocales.

- Fonctionner avec un niveau de bruit acoustique négligeable, compte tenu

du nombre de convertisseurs incorporés dans les systèmes (plusieurs centaines).

- Ne pas provoquer des perturbations électromagnétiques par rayonnement

ou par conduction.

Différentes structures de convertisseurs existent mais le montage "PUSH-

PULL" ci-dessous reste le plus utilisé avec les équipements de télécommunication.

Les transistors de puissance qui sont commandés alternativement fonctionnent en

commutation.


38

Principe du convertisseur à découpage

La valeur moyenne de la tension à la sortie du filtre est : Us = αkUE ;

Avec «α » le rapport cyclique et "k" le rapport de transformation.

La régulation par découpage consiste à agir directement sur la largeur des

signaux pour stabiliser la tension de sortie et limiter l'intensité conformément à la

caractéristique "Us = f(Is)".

b) Convertisseur à intensité constante:

Il est basé sur le même principe de fonctionnement que le convertisseur à

tension constante. Par contre, c'est le courant de sortie qui est stabilisé et la tension

de sortie qui est limitée conformément à la caractéristique" Is = f(Us)".

• Constitution d'un équipement de télé alimentation:

L'équipement de télé alimentation se compose de deux parties:

- La partie puissanœ fournie la tension continue d'alimentation par deux

convertisseurs montés en parallèle et en partage de charge. Si l'un est en

panne l'autre continue d'assurer la télé alimentation.

- La partie alarme, sécurités et commandes qui comprend les dispositifs de

mise en parallèle des sources, les automatismes de commande, les appareils de

mesure et les dispositifs de disjonction et de signalisation.

• Utilisation des équipements de télé alimentation:

Le courant continu régulé (70mA, 120mA,...) alimente les amplificateurs

ou les régénérateurs à partir de l'une ou des deux extrémités d'un tronçon de

câble. Ce courant d'alimentation est superposé au signal multiplex et est

amené sur les conducteurs actifs grâce à des filtres d'aiguillage voir figure ci-

dessous.


39

Schéma de principe de la télé alimentation

Le choix et la disposition des sources d'extrémités dépendent de la

longueur du tronçon principal d'amplification et de la bande passante de la liaison.

c) Les générateurs de courants spéciaux:

Les générateurs de courants spéciaux sont destinés principalement à délivrer

le courant d'appel, les différentes tonalités de manœuvre et les cadences nécessaires

au fonctionne-

ment des autocommutateurs de type électromécanique ou électronique à

l'exception des systèmes temporels.

Synoptique général d'un onduleur d'appel en pont


40

Le générateur de courants spéciaux assure ces différentes fonctions grâce aux

sources suivantes qui le compose:

- Une source de tension alternative (~ 85V) à 25 ou 50 Hz (courant de

sonnerie des postes d'abonnés).

- Une source de tension alternative (~ 3V) à 440 Hz ( tonalité d’invitation

à numéroter, retour d'appel. Occupation,…).

- Un générateur de séquences, en logique câblée associée à des

amplificateurs, qui délivre les cadences d'appel, retour d'appel,

occupation ,...

Différents montages électroniques sont utilisés pour la réalisation de ces

sources incorporées. Nous nous limitons à la présentation d'une configuration pour

l'onduleur

d'appel. .

d) Onduleur d’appel:

C'est un onduleur de faible puissance (30 à 500 VA) qui utilise le principe du

découpage HF (f > 20Khz) de la tension continue d'entrée (-48 V) avec une structure

" push-pull" ou en "pont" ci-dessus.

Remarque : A l'origine, ces courants spéciaux étaient produits par des

convertisseurs électromécaniques (ensemble: moteur-alternateur- génératrice -

cadenceur mécanique) appelés"machines d'appel".


41

EXPLOITATION ET MAINTENANCE

V – 1 : REGLES ET RECOMMANDATIONS

L'exploitation recouvre toutes les opérations visant à surveiller et à assurer le

fonctionnement de l'installation dans un environnement climatique (température,

humidité,...) et atmosphérique (altitude, atmosphère saline,...) défini par les spécifications

techniques.

Les contraintes d'exploitation des installations d'énergie peuvent être

considérablement réduites en appliquant les recommandations suivantes:

- remplacement des organes électromécaniques par des dispositifs électroniques

command ables par des fonctions logiques,

- Automatisation intégrale de toutes les fonctions de commande, de surveillance

et de commutation,

- Disponibilité des sources d'alimentation aux différents niveaux.

- Classification et centralisation des alarmes.

La maintenance des équipements d'énergie, en cours d'exploitation, est d'une

importance capitale compte-tenu des graves perturbations qui peuvent aller jusqu'à l'arrêt

total du trafic téléphonique.

Des consignes de maintenance sont édictées sous forme d'instructions par

l'opérateur ("Tunisie Télécom" en Tunisie). Les recommandations générales de

maintenance sont:

- s'intéresser à la maintenance préventive (ou programmée).

- se limiter aux seules opérations indispensables pour préserver le bon

fonctionnement de l'ensemble de l'installation.

- selon le mode de fonctionnement de l'équipement, les opérations d'entretien

doivent être conduites successivement ou simultanément.

- détecter rapidement les défaillances des composants électroniques et des organes

électromécaniques et électromagnétiques.

- renforcer la surveillance des installations pendant la première année de

fonctionnement (période de garantie).


42

V – 2 : Exploitation de l'installation

L'exploitation de l'installation doit assurer la disponibilité des sources, la fiabilité,

la maintenabilité et la gestion des alarmes.

a) Disponibilité des sources:

La disponibilité d'une source d'alimentation "Ds" correspond à la probabilité du

temps pendant lequel la source assure un service normal. Elle peut être exprimée en

fonction de la fiabilité et de la maintenabilité:

Ds = ∆tmF/∆tmF + ∆tmM

∆tmF: temps moyen entre défaillances. Il est déterminé par un calcul de fiabilité

prévisionnelle ou par des observations statistiques en exploitation réelle.

∆tmM: temps moyen de réparation. Il est estimé en tenant compte du délai moyen

d'intervention et de la durée moyenne de remise en état du matériel.

b) Fiabilité:

La fiabilité de l'installation est améliorée en appliquant les dispositions suivantes:

- emploi de composants de haute qualité.

- dimensionnement avec une marge de sécurité au niveau des composants

(facteur de charge) et au niveau des ensembles (marges de température de

puissance...).

- utilisation de la structure modulaire qui autorise la redondance matériel.

Le «∆tmF » exigé pour quelques équipements d’énergie est: redresseur (100 000

H), onduleur de puissance (100 000 H), convertisseur C-C (400 000 H), batterie au

plomb (500 000 H).

c) Maintenabilité:

Le temps moyen de réparation peut être considérablement réduit par une

conception et une disposition efficace des équipements: organes de mise hors tension,

panneaux amovibles, sous-ensembles interchangeables,... Dans ces conditions, les

interventions sur site se limitent au simple remplacement de la carte ou du module

défectueux.

Le « ∆tmM » ne doit pas dépasser 3 à 5 heures.

d) Gestion des alarmes:

Les alarmes sont classés en deux catégories selon le degré d'urgence de

l'intervention:


43

- « Alarme urgente » nécessite une intervention immédiate, pour toute défaillance

entraînant des anomalies de fonctionnement irréversibles, ou tout défaut qui abaisse

considérablement le degré de fiabilité de la source.

- « Alarme non urgente », nécessite une intervention différée, pour toute anomalie

n'ayant pas d'incidence immédiate. sur le fonctionnement du système, soit par certaines

manœuvres volontaires de maintenance.

En cas d'aggravation de l'anomalie un changement d'état "Alarme différée /

Alarme immédiate" est assuré.

Chaque appareil est doté de deux circuits de boucle isolées permettant

l'exploitation et la centralisation des alarmes, leur visualisation sur le panneau général de

signalisation du centre et leur retransmission aux différents niveaux opérationnels (CCA,

CCL,...). Des voyants lumineux sur l'appareil en faute permettent d'identifier rapidement

le défaut.

V – 3 : Maintenance des équipements

La maintenance recouvre les révisions et les opérations courantes d'entretien.

Dans les installations modernes d'énergie, les contraintes dues à l'usure de pièce

mécanique ont disparu et les opérations courantes d'entretien ne s'appliquent qu'aux

batteries et aux groupes électrogènes.

Dans les centres de télécommunication, la maintenance corrective n'est pas

généralement prise en considération. Les interventions se limitent aux opérations de

maintenance programmée.

Pour chaque équipement, trois fiches techniques décrivent respectivement les

opérations mensuelles, trimestrielles et annuelles.

Les opérations mensuelles concernent les examens et les tests de courte durée.

Les opérations trimestrielles visent à tester les performances de l'installation en

provoquant les différentes séquences de fonctionnement "Normal/Secours" (coupure de

l'alimentation du réseau, rétablissement de l'alimentation du réseau,...). Ces tests

permettent de vérifier le bon fonctionnement des organes de commande qui ne sont pas

sollicités en régime normal.

Les opérations annuelles sont destinées à assurer un entretien général des

installations.


44

ANNEXES


45

Le réseau électrique

Généralités

Le réseau électrique est divisé en lignes Très Haute, Haute, Moyenne et Basse Tension.

Les caractéristiques de ces différentes lignes sont regroupées ci-dessous.

Type de ligne Tension Usage Très Haute Tension :THT

400 000 volts ( 400 kV ) 225 000 volts ( 225 kV )

Transport d'énergie électrique à longue distance et international.

Haute

Tension : HT

90 000 volts ( 90 kV ) 63 000 volts ( 63 kV )

Transport d'énergie électrique distant, industries lourdes, transport ferroviaire.

Moyenne

Tension : MT

30 000 volts ( 30 kV ) 20 000 volts ( 20 kV ) 15 000 volts ( 15 kV )

Transport d'énergie électrique, local, industries, PME, services, commerces

Basse

Tension : BT

380 volts, 230 volts

Distribution d'énergie électrique, ménages, artisans.

Pourquoi utiliser des tensions élevées ?

Le réseau électrique français s'étend sur plus d'un million de kilomètres de

lignes électriques. Ces lignes sont constituées de câbles métalliques très longs qui sont

des conducteurs électriques imparfaits. Ainsi, lorsque des courants électriques de forte

intensité traversent ces câbles, une partie de l'énergie transportée est transformée en

chaleur par effet joule et donc perdue. Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est

nécessaire de diminuer l'intensité du courant donc d'augmenter la tension aux bornes de

la ligne. La diminution de l'intensité du courant permet également d'utiliser des fils

moins lourds donc de réduire le coût de construction d'une ligne électrique.

Des câbles moins lourds autorisent la construction de pylônes plus légers, donc

plus respectueux du paysage.

Des transformateurs élèvent donc la tension à la sortie des centrales électriques

alors que d'autre l'abaissent à proximité des lieux de consommation.


46

Les transformateurs électriques

Généralités

Le réseau électrique compte plusieurs dizaines de milliers de transformateurs.

Certains ont pour fonction d'élever la tension ( transformateurs élévateurs de tension ),

d'autre de l'abaisser ( transformateurs abaisseurs de tension ), ils ont des tailles et des

masses très variables. Tous sont dotés d'un dispositif permettant d'évacuer la chaleur

produite pendant leur fonctionnement.

• Les transformateurs élévateurs de tension

Le rôle de ces transformateurs est d'élever la tension électrique à la sortie des

centrales électriques. En effet, le passage d'un courant électrique dans un câble

occasionne des pertes d'énergie, une partie de l'énergie électrique est dissipée en chaleur

par effet joule. Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est nécessaire de diminuer

l'intensité du courant donc d'augmenter la tension aux bornes de la ligne.

• Les transformateurs abaisseurs de tension

Au abord des zones de consommation, la tension est progressivement abaissé

jusqu'à obtenir des basses tension ( 230 volts ou 380 volts ), c'est le rôle des

transformateurs abaisseurs de tension.

Quelques exemples de transformateurs

Centre de distribution local

Ce centre reçoit l'énergie électrique par le biais de lignes haute tension ( 90

000 volts ) et l'aiguille vers les communes environnantes par des lignes moyenne


47

tension ( 30 000 volts ). Ce centre possède également un poste de contrôle d'où un

opérateur peut agir sur le fonctionnement du réseau.

Gros plan d'un transformateur du centre local

Ce transformateur transforme la haute tension en basse tension, il s'agit d'un

puissant transformateur abaisseur de tension. Il est équipé de trois ventilateurs

destinés à le refroidir. En effet un transformateur peut dégager beaucoup de chaleur,

ce qui nuit à son bon fonctionnement et pourrait même aboutir à la longue à la

dégradation de l'appareil.

Transformateur de quartier

Ce transformateur de petite taille est destiné à convertir une moyenne tension

( 20 000 volts ) en une basse tension. Ce transformateur est placé en bout de ligne

sur le dernier pylône, l'énergie électrique emprunte ensuite une ligne enterrée.

Il est équipé d'un radiateur ( masse métallique dotée d'aillettes de refroidissement )

destiné à évacuer la chaleur qu'il produit.


48

Transformateur de quartier

A la différence du transformateur précédent, ce transformateur de quartier

n'est pas placé sur le dernier pylône d'une ligne. Il possède lui aussi un radiateur

destiné à le refroidir.


49

Les alternateurs

Généralités

L'alternateur est une machine tournante destinée à produire une tension alternative

sinusoïdale. Son fonctionnement est proche de celui d'une génératrice de bicyclette à

cette différence près qu'il pèse plusieurs dizaines de tonnes.

Les alternateurs sont couplés à la turbine dans les centrales thermiques ( à flamme ou

nucléaire ) et dans les centrales hydrauliques. Dans le cas d'une éolienne, l'hélice

entraîne l'alternateur par l'intermédiaire d'un système d'engrenages ( système de

transmission ).

Alternateur de bicyclette

La génératrice de bicyclette est en fait un petit alternateur très simple.

Les alternateurs des centrales électriques fonctionnement selon un principe très

proche. Seules leurs masses et leurs dimensions les distinguent de cette génératrice.

Un alternateur n'est pas une dynamo, une dynamo produit une tension continue alors

qu'un alternateur produit une tension alternative sinusoïdale. Une génératrice de

bicyclette est donc un alternateur bien qu'on lui donne à tort le nom de "dynamo".

1 Galet d'entraînement.

2 Carcasse métallique de la génératrice.

3 Rotor ( aimant permanent ), élément tournant.

4 Stator ( bobine et lames métalliques ) d'entraînement, élément fixe.


50

Les centrales hydrauliques

Une centrale hydraulique utilise l'énergie fournie par une masse d'eau en

mouvement pour produire de l'énergie électrique. Un barrage retient une grande quantité

d'eau sous la forme d'un lac de retenue.

Pour produire de l'électricité, les vannes du barrage sont ouvertes, de l'eau s'y

engouffre dans une conduite forée dans le barrage, sa vitesse augmente.

A la sortie de cette conduite, l'eau fait tourner une turbine qui entraîne elle-

même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale.

L'eau est ensuite libérée au pied du barrage et reprend le cours normal de la

rivière.

Plusieurs variantes des centrales hydrauliques existent. Certaines fonctionnent en

exploitant l'énergie fournie par les marées ou par les vagues. Leur nombre reste

toutefois très limité.

Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de quelques milliers

de watts pour une centrale individuelle ( destinée à alimenter une seule habitation ) à

500 MW ( mégawatts ) pour un barrage d'importance.


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Les centrales thermiques à flamme

Une centrale thermique à flamme utilise l'énergie fournie par la combustion d'un

combustible ( charbon, pétrole, gaz naturel, gaz issus de hauts-fourneaux ). Cette

combustion a lieu dans une chaudière.

La combustion dégage une grande quantité de chaleur utilisée pour chauffer de

l'eau dans la chaudière ( ou générateur de vapeur ). On dispose alors de vapeur d'eau

sous pression.

La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne

elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de

la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans la

chaudière.

Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une réserve d'eau

( cours d'eau ) ou plus rarement à une tour de refroidissement analogue à celle d'une

centrale nucléaire.


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Une centrale thermique à flamme fournit une puissance électrique de l'ordre de

quelques centaines de mégawatts ( 1 MW = 1 000 000 W ). Les centrales en service en

France ont des puissances variant de 100 MW à 700 MW.


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Les turbines

Généralités

Une turbine est essentiellement une roue destinée à transformer le mouvement d'un

corps fluide ( eau ou gaz ) en un mouvement de rotation. Les centrales électriques

utilisent principalement deux types de turbines couplées à un alternateur : les turbines à

eau et à vapeur.

Les turbines à eau

Dans le cas le plus simple ( turbine type Pelton, schéma ci-dessus ), une turbine

à eau est une roue à aubes enfermée dans un carter métallique. L'eau arrivant sur ses

aubes provoque un mouvement de rotation rapide. La turbine entraîne alors l' alternateur

auquel elle est couplée.


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Les turbines à vapeur

Une turbine à vapeur est constituée d'un grand nombre de roues ( une centaine

pour un modèle de puissance ) portant des ailettes. La vapeur sous pression traverse

d'abord les roues de petit diamètre avant d'atteindre les roues de plus grand diamètre. La

turbine tourne alors en entraînant l' alternateur qui lui est accouplé.


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Les centrales éoliennes

Reprenant le principe de fonctionnement des moulins à vent, les éoliennes

constituent actuellement un mode de production d'énergie électrique en plein


56

développement. L'avantage le plus évident de ce type de centrale électrique est

évidemment le caractère inépuisable de l'énergie qu'elle utilise. On parle alors de

ressource renouvelable. Plusieurs types d'éoliennes existent, cependant, la tendance

actuelle est à la construction d'éoliennes de taille moyenne regroupées en un même lieu.

Une éolienne de taille moyenne comporte en général une hélice à trois pales

reliée à un rotor. L'ensemble atteint généralement 30 mètres de diamètre. Les pales

peuvent être orientées en direction du vent.

Le rotor est relié à un multiplicateur ( un système d'engrenages ) destiné à

augmenter la vitesse de rotation. L' alternateur demande en effet une vitesse de rotation

élevée pour fonctionner.

Le multiplicateur entraîne un alternateur qui génère une tension alternative

sinusoïdale.

Une éolienne standard fournit une puissance électrique de l'ordre de la dizaine de

kilowatts ( 1 kilowatt = 1 000 watts ). Pour obtenir une puissance satisfaisante et

réellement utilisable, un très grand nombre d'éoliennes sont regroupées sur le même

site.

Si les éoliennes constituent évidemment un moyen de production d'électricité

très "écologique" puisque non polluant et renouvelable, il reste que ces installations sont

très imposantes et très coûteuses à la construction.


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Les centrales thermiques nucléaires

Une centrale nucléaire est une centrale thermique qui utilise l'énergie fournie par

un réacteur nucléaire ( fonctionnant avec de l'uranium 235 ou du plutonium 239 ). Ce

réacteur produit une grande quantité de chaleur qui est captée par de l'eau sous pression

circulant dans le circuit primaire ( circuit fermé ).

Par l'intermédiaire du générateur de vapeur, l'eau sous pression du circuit

primaire communique sa chaleur à l'eau d'un deuxième circuit fermé, le circuit

secondaire. Il est ainsi possible d'obtenir de la vapeur à haute pression dans ce circuit

secondaire.

La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne

elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de

la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans le

générateur de vapeur.

Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une tour de

refroidissement ou un cours d'eau important. Les deux systèmes de refroidissement

peuvent être utilisés simultanément. Les tours de refroidissement sont souvent

surmontées d'un nuage résultant de la condensation de la vapeur d'eau. Ce nuage ne doit

pas être confondu avec de la fumée.


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Un réacteur nucléaire fournit une puissance électrique de l'ordre du millier de

mégawatts ( 1 MW = 1 000 000 W ). Les réacteurs en service en France ont des

puissances de 900 MW, 1300 MW et 1450 MW.

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