PRODUCTION DE L'ENERGIE ELECTRIQUE (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Décrire le principe de fonctionnement d’un groupe électrogène (moteur thermique + alternateur). 2. Réaliser, en toute sécurité, le montage, la mise en marche et le suivi d’un groupe électrogène de puissance inférieure à 10 kW dans un atelier technique. 3. Interpréter les relevés de tension, de fréquence et de consommation afin d’ajuster le régime du moteur. 4. Identifier les pannes les plus fréquentes d’un groupe électrogène et proposer des actions correctives adaptées. 5. Intégrer le groupe électrogène dans un schéma d’alimentation de secours d’un bâtiment (école, centre de santé) en respectant les normes de sécurité électrique camerounaises (NF C 15-100 adaptée). 6. Conduire une activité de remédiation visant à renforcer les acquis sur les grandeurs électriques (tension, courant, puissance, facteur de puissance) à l’aide d’expérimentations simples. **Prérequis** : - Notions de base en électrotechnique : loi d’Ohm, loi des nœuds, loi des mailles, puissance active P = UI cos φ, puissance apparente S = UI, facteur de puissance. - Connaissance des grandeurs mécaniques : vitesse de rotation (tr/min), couple, rendement. - Règles de sécurité élémentaires (port des EPI, mise à la terre, coupure d’alimentation). - Lecture de schémas électriques simples (unifilaires). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en énergie électrique dépasse souvent les capacités du réseau national, notamment dans les zones rurales et les établissements scolaires isolés. Les groupes électrogènes (ou groupes de secours) constituent donc une solution technique répandue pour assurer la continuité de l’alimentation lors des coupures ou pour alimenter des sites hors réseau. Leur utilisation requiert une maîtrise à la fois du côté mécanique (moteur diesel ou essence) et du côté électrique (alternateur, régulation de tension et de fréquence). Ce chapitre propose une approche par compétences : l’élève passe de la théorie à la pratique grâce à un travail pratique (TP) sur un groupe électrogène, puis intègre cet équipement dans un schéma d’alimentation de secours, enfin il consolide ses acquis par des activités de remédiation ciblées sur les difficultés fréquemment observées lors des évaluations. --- ## I. TP groupe électrogène ### A. Présentation du matériel - **Groupe électrogène de type portable** : moteur diesel monocylindre 4 temps, puissance nominale 5 kW, alternateur synchrone triphasé 230/400 V, 50 Hz. - **Accessoires** : réservoir de carburant, filtre à air, filtre à huile, démarreur électrique, panneau de commande (voltmètre, fréquencemètre, indicateur de charge, bouton d’arrêt d’urgence). - **Instruments de mesure** : multimètre numérique (plage 0‑600 V AC, 0‑20 A), pince ampèremétrique, tachymètre laser, wattmètre monophasé. ### B. Principes de fonctionnement > Le groupe électrogène convertit l’énergie chimique du carburant en énergie mécanique (moteur) puis en énergie électrique alternée (alternateur) selon la relation : > $$ P_{élec} = η_{moteur} × η_{alternateur} × P_{carburant} $$ > où η représente les rendements respectifs (typiquement ηₘₒₜₑᵤᵣ ≈ 0,30, ηₐₗₜₑᵣₙₐₜₑᵤᵣ ≈ 0,85). L’alternateur est constitué d’un rotor excitée par un courant continu (excitation) et d’un stator triphasé. La tension de sortie dépend du nombre de spires par phase du stator, du flux magnétique et de la fréquence électrique : > $$ E = 4,44 × f × N_{ph} × Φ × k_w $$ > où f est la fréquence électrique (Hz), N_{ph} le nombre de spires par phase, Φ le flux par weber, et k_w le facteur de enroulement. > La fréquence électrique est liée à la vitesse de rotation mécanique N_{tr/min} (en tours par minute) et au nombre de pôles p par : > $$ f = \frac{p × N_{tr/min}}{120} $$ ### C. Procédure pas à pas (atelier) | Étape | Action | Consigne de sécurité | Observation attendue | |-------|--------|----------------------|----------------------| | 1 | Vérifier le niveau d’huile et du liquide de refroidissement | Porter gants et lunettes de protection | Niveau entre les repères « min » et « max » | | 2 | Contrôler le carburant (diesel) – absence d’eau | Interdire toute flamme nue près du réservoir | Carburant clair, pas de sédiments | | 3 | Brancher la charge résistive (banque de lampes 230 V, 100 W chacune) sur les bornes du alternateur | S’assurer que le disjoncteur de protection est en position OFF | Charge connue, ex. 5 lampes = 500 W | | 4 | Effectuer la mise à la terre du châssis du groupe | Vérifier la continuité avec un ohmmeter (< 1 Ω) | Terre conforme à la norme NF C 15-100 | | 5 | Démarrer le moteur (clé ou bouton) | Maintenir les mains éloignées du volant moteur | Régime de ralenti ~1500 tr/min | | 6 | Ajuster le régime jusqu’à atteindre 50 Hz (fréquencemètre) | Utiliser le régulateur de vitesse (vis de réglage) | Fréquence stable ±0,2 Hz | | 7 | Mesurer la tension ligne‑ligne (V_LL) et ligne‑neutre (V_LN) | Ne jamais toucher les parties sous tension | V_LL ≈ 400 V, V_LN ≈ 230 V (±5 %) | | 8 | Relever le courant de ligne avec la pince ampèremétrique | Se placer uniquement autour d’un conducteur | I ≈ P/(√3·V_LL·cos φ) | | 9 | Calculer la puissance active mesurée : P_mes = √3·V_LL·I·cos φ | Comparer à la puissance nominale | Écart < 10 % indique bon réglage | |10| Arrêter le groupe : couper le carburant, laisser tourner au ralenti 30 s, puis couper le contact | Attendre l’arrêt complet avant toute manipulation | Moteur à l’arrêt, température en baisse | ### D. Exemple chiffré entièrement résolu **Données** : Groupe électrogène 5 kW, tension ligne‑ligne mesurée V_LL = 400 V, facteur de puissance cos φ = 0,85 (charge résistive légèrement inductive). **Objectif** : Déterminer le courant de ligne I et vérifier si le groupe fonctionne dans ses limites. **Calcul** : $$ P = √3 × V_{LL} × I × cos φ $$ $$ I = \frac{P}{√3 × V_{LL} × cos φ} = \frac{5000}{1,732 × 400 × 0,85} = \frac{5000}{588,9} ≈ 8,49 A $$ **Résultat** : I ≈ 8,5 A. Le courant nominal du groupe (calculé à partir de 5 kW à 400 V, cos φ=0,85) est donc respecté. Si la mesure réelle donnait 10 A, cela indiquerait une surcharge ou un facteur de puissance plus faible, nécessitant une réduction de la charge ou un réglage de l’excitation. ### E. Normes et règles de sécurité spécifiques - Porter en permanence des EPI : casque anti‑bruit, lunettes de sécurité, gants isolants, chaussures de sécurité. - Interdire toute manipulation sous tension sans isolation vérifiée (utiliser un tournevis isolé). - Maintenir un extincteur à poudre ou CO₂ à proximité (< 5 m). - Respecter la distance de sécurité minimale de 1 m autour du volant moteur en marche. - Effectuer un test de mise à la terre avant chaque mise en service (résistance de terre < 1 Ω). --- ## II. Activités d’intégration ### A. Objectif de l’activité Intégrer le groupe électrogène dans un schéma d’alimentation de secours d’un bâtiment scolaire (ex. : salle de classe de 30 m² équipée de 10 lampes fluorescentes 40 W, 2 ordinateurs 150 W chacun, climatiseur 1,5 kW). ### B. Étude de charge | Équipement | Puissance nominale (W) | Facteur de puissance | Puissance apparente (VA) | |------------|------------------------|----------------------|--------------------------| | Lampes (10×40) | 400 | 0,95 | 421 | | Ordinateurs (2×150) | 300 | 0,9 | 333 | | Climatiseur | 1500 | 0,8 | 1875 | | **Total** | **2200** | — | **2629 VA** | Le groupe de 5 kW (5000 VA) possède donc une marge de sécurité d’environ 46 %. ### C. Schéma unifilaire simplifié ``` [ Groupe électrogène ] --(disjoncteur 16 A)--> [ Tableau général ] --(derivation)--> [ Charge ] ``` - Le disjoncteur de protection du groupe est réglé à 1,25 × I_nom (I_nom = P/(√3·V_LL·cos φ) ≈ 8,5 A) → 11 A (disjoncteur 16 A choisi pour tenir compte du courant d’appel). - Un interrupteur différentiel 30 mA type A est placé en amont du tableau pour protéger contre les courants de fuite. - La mise à la terre du groupe et du tableau est réalisée avec une électrode de cuivre de 2,5 mm² enterrée à 0,6 m de profondeur, résistance mesurée < 1 Ω. ### D. Mise en pratique (atelier) 1. **Installation du groupe** sur un châssis métallique fixé au sol, avec silent‑blocs pour réduire les vibrations. 2. **Raccordement du câble d’alimentation** (câble HO7RN‑F 4G2,5 mm²) du groupe au disjoncteur du tableau général, en respectant les codes de couleur (phase : marron, neutre : bleu, terre : vert/jaune). 3. **Insertion du disjoncteur de branchement** (16 A, courbe C) dans le tableau général. 4. **Derivation vers les circuits** : éclairage (10 A), prises (16 A), climatiseur (20 A avec disjoncteur dédié). 5. **Mise sous tension** : vérifier l’absence de tension sur les parties neutres avant de fermer le disjoncteur général. 6. **Essai de charge** : allumer progressivement les lampes, puis les ordinateurs, enfin le climatiseur, en relevant à chaque étape tension, fréquence et courant. 7. **Réglage** : si la fréquence chute sous 49,5 Hz lors du démarrage du climatiseur, augmenter légèrement le régime du moteur (vis de réglage du régulateur) jusqu’à stabiliser à 50 Hz. ### E. Documents à produire - Schéma unifilaire signé. - Fiche de mise en service (date, nom du technicien, relevés de tension/fréquence, observations). - Rapport de conformité incluant les valeurs de résistance de terre, le réglage du disjoncteur et le test différentiel. --- ## III. Activités de remédiation ### A. Constats fréquents après évaluation - Confusion entre puissance active (W) et puissance apparente (VA). - Difficulté à lire un fréquencemètre et à interpréter un écart de ±0,5 Hz. - Erreur de calcul du courant dans un système triphasé (oubli du facteur √3). - Méconnaissance de l’influence du facteur de puissance sur la taille du conducteur nécessaire. ### B. Ateliers de remédiation (3 séances de 45 min) #### Séance 1 – Puissances et facteur de puissance - **Manipulation** : utilisation d’un wattmètre monophasé et d’un varmètre pour mesurer P et Q sur une charge RL (résistance 100 Ω, inductance 0,2 H). - **Exercice** : calculer S = √(P²+Q²) et cos φ = P/S. - **Mise en commun** : tableau récapitulatif des valeurs mesurées et discussion sur l’impact du facteur de puissance sur la facturation énergétique. #### Séance 2 – Lecture des instruments de mesure - **Manipulation** : branchement d’un fréquencemètre numérique sur la sortie d’un groupe électrogène en marche. - **Jeu de rôle** : chaque élève relève la fréquence, note l’écart par rapport à 50 Hz, puis propose une action corrective (augmenter/diminuer le régime). - **Feuille d’exercices** : conversion tr/min ↔ Hz pour un alternateur à 4 pôles (f = p·N/120). #### Séance 3 – Calcul du courant triphasé - **Manipulation** : mesure du courant de ligne avec une pince ampèremétrique sur une charge triphasée équilibrée (résistances 60 Ω chacune). - **Exercice** : partir de la puissance totale mesurée (ex. 3000 W) et déterminer I_line. - **Auto‑évaluation** : grille de critères (formule correcte, unité, arrangement du √3, interprétation du résultat). ### C. Supports de remédiation - Fiches mémo « Puissances » (définitions, formules, unités). - Vidéo courte (3 min) montrant le réglage du régulateur de vitesse sur un groupe électrogène réel. - Quiz en ligne (10 questions) avec feedback immédiat. --- ## Synthèse du chapitre - Le groupe électrogène associe un moteur thermique à un alternateur synchrone pour produire de l’énergie électrique. - La tension et la fréquence de sortie dépendent de la vitesse de rotation et de l’excitation du rotor. - Un réglage précis du régime permet d’obtenir 50 Hz ±0,2 Hz et une tension ligne‑ligne de 400 V ±5 %. - La puissance active délivrée est donnée par : > $$ P = √3 × V_{LL} × I × cos φ $$ - La mise en sécurité comprend : mise à la terre, disjoncteur de protection, interrupteur différentiel, EPI, extincteur à proximité. - L’intégration dans un schéma d’alimentation de secours nécessite une étude de charge, le choix d’un disjoncteur adapté (1,25 × I_nom) et une dérivation protégée pour chaque circuit. - Les difficultés récurrentes portent sur la distinction P/S, le calcul du courant triphasé et la lecture du fréquencemètre ; elles sont surmontées par des ateliers de mesure, des fiches mémo et des quiz interactifs. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Alternateur synchrone** | Machine électrique qui convertit l’énergie mécanique en énergie alternative à vitesse constante synchronisée avec la fréquence du réseau. | | **Facteur de puissance (cos φ)** | Rapport entre la puissance active (W) et la puissance apparente (VA) ; indique l’efficacité de l’utilisation du courant. | | **Régulateur de vitesse** | Dispositif mécanique ou électronique qui ajuste l’alimentation en carburant du moteur pour maintenir une vitesse de rotation constante malgré les variations de charge. | | **Disjoncteur de protection** | Appareil qui coupe automatiquement le circuit en cas de surintensité ou de court‑circuit, calibré selon le courant nominal de l’équipement. | | **Interrupteur différentiel (ID)** | Dispositif qui détecte un déséquilibre entre les courants entrant et sortant d’un circuit et coupe l’alimentation dès qu’un courant de fuite dépasse un seuil (souvent 30 mA). | | **Mise à la terre** | Connexion volontaire d’une masse métallique au potentiel de la terre afin de limiter les tensions de contact et de faciliter le déclenchement des dispositifs de protection en cas de défaut. | | **Courant de ligne (I_L)** | Valeur efficace du courant circulant dans chaque conducteur d’un système triphasé. | | **Puissance apparente (S)** | Produit de la tension efficace et du courant efficace (S = UI), exprimée en volt‑ampères (VA). | | **Rendement (η)** | Rapport entre l’énergie utile sortie et l’énergie entrée, exprimé en pourcentage ou en valeur décimale. | | **Charge résistive** | Charge où le courant et la tension sont en phase (cos φ = 1). | | **Charge inductive** | Charge où le courant lagge la tension (cos φ < 1, facteur de puissance lagging). | | **Courant d’appel** | Courant transitoire élevé au moment de la mise sous tension d’un moteur ou d’un transformateur, pouvant atteindre plusieurs fois le courant nominal. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un câble d’alimentation **Données** : Groupe électrogène 5 kW, tension ligne‑ligne 400 V, facteur de puissance 0,85, longueur du câble 25 m, chute de tension admissible 3 %. **Demander** : Calculer la section minimale du câble en cuivre (résistivité ρ = 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m). **Corrigé** : 1. Courant de ligne : $$ I = \frac{P}{√3 V_{LL} cos φ} = \frac{5000}{1,732 × 400 × 0,85} = \frac{5000}{588,9} ≈ 8,49 A $$ 2. Chute de tension autorisée : $$ ΔU_{max} = 0,03 × V_{LL} = 0,03 × 400 = 12 V $$ 3. Chute de tension dans un conducteur aller‑retour (2 × L) : $$ ΔU = 2 × ρ × L × I / A $$ où A est la section en m². 4. Résolvons pour A : $$ A = \frac{2 × ρ × L × I}{ΔU_{max}} = \frac{2 × 1,68×10^{-8} × 25 × 8,49}{12} $$ $$ A ≈ 5,94×10^{-7} m² $$ 5. Conversion en mm² : $$ A ≈ 0,594 mm² $$ On choisit la section commerciale supérieure : **0,75 mm²** (câble 2 × 0,75 mm² + terre). En pratique, on utilise du **1,5 mm²** pour assurer une marge de sécurité et faciliter le tirage. ### Exercice 2 – Réglage du fréquence suite à l’ajout d’une charge **Données** : Groupe à vide tourne à 1500 tr/min, fréquence mesurée 50,0 Hz. Après branchement d’un climatiseur de 1,5 kW (cos φ = 0,8), la fréquence chute à 49,2 Hz. **Demander** : Déterminer le nouvel régime de rotation nécessaire pour retrouver 50 Hz, sachant que la fréquence est proportionnelle au nombre de tours (f = p·N/120, p = nombre de pôles = 4). **Corrigé** : 1. Relation f ∝ N → N₂/N₁ = f₂/f₁. 2. N₁ = 1500 tr/min correspond à f₁ = 50 Hz. 3. Pour obtenir f₂ = 50 Hz après charge, il faut maintenir la même fréquence ; donc il faut augmenter le régime pour compenser la chute due à la charge. 4. La chute observée indique que le régulateur a fourni un régime effectif N_obs tel que : $$ f_obs = 49,2 = \frac{p·N_obs}{120} $$ $$ N_obs = \frac{49,2×120}{4} = 1476 tr/min $$ 5. Le régime de consigne doit donc être augmenté de : $$ ΔN = N₁ - N_obs = 1500 - 1476 = 24 tr/min $$ On règle donc le régulateur pour viser **1524 tr/min** (1500 + 24) afin que, sous charge, le régime effectif revienne à 1500 tr/min et la fréquence à 50 Hz. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / correction | |----|------------------|-------------|-----------------------------------| | 1 | Confondre puissance active (W) et puissance apparente (VA) lors du dimensionnement des câbles. | Sous‑dimensionnement → surchauffe, risque d’incendie. | Toujours utiliser la formule : $$ I = \frac{P}{√3 V_{LL} cos φ} $$ et vérifier le facteur de puissance avant de choisir la section. | | 2 | Oublier le facteur √3 dans le calcul du courant triphasé. | Courant sous‑estimé → disjoncteur trop faible → déclenchement intempestif ou absence de protection. | Rappeler systématiquement que pour un système triphasé équilibré : $$ I_L = \frac{P}{√3 V_{LL} cos φ} $$ . | | 3 | Mesurer la tension sur un conducteur sous tension sans isoler l’appareil de mesure. | Risque de choc électrique, détérioration du multimètre. | Utiliser des pointes de mesure isolées, vérifier que l’appareil est en catégorie CAT III ou supérieure, et ne jamais toucher les parties nues. | | 4 | Négliger la vérification de la résistance de terre avant la mise en service. | Défaut d’isolement non détecté → risque de électrocution en cas de défaut d’isolement. | Mesurer la résistance de terre avec un telluromètre ; elle doit être < 1 Ω (ou conforme au référentiel local). | | 5 | Démarrer le groupe électrogène avec le réservoir de carburant ouvert ou près d’une flamme nue. | Risque d’incendie ou d’explosion. | Toujours fermer le bouchon du réservoir, éloigner toute source d’allumage, et effectuer le remplissage uniquement moteur arrêté et refroidi. | | 6 | Régler le fréquence uniquement en écoutant le bruit du moteur sans utiliser un fréquencemètre. | Réglage approximatif → fréquence hors tolérance → endommagement des équipements sensibles (informatique, télécom). | Utiliser systématiquement un fréquencemètre numérique de classe 0,5 % ou mieux ; ajuster le régulateur jusqu’à ce que l’affichage indique 50 Hz ±0,2 Hz. | --- *Fin du cours.*