Groupes Electrogènes: interview d’un spécialiste

Dans cet article, je vous livre les mots de Paul Trémeau, ingénieur électrotechnicien, que j’ai interviewé la semaine dernière et qui a accepté de nous parler des groupes électrogènes. Paul a effectué sa carrière dans une société spécialisée en électricité et en électro-mécanique. Son expérience lui a permis d’acquérir des compétences très diversifiées dans la distribution d’énergie électrique (HT/BT), mais aussi sur d’autres produits tels les condensateurs, les moteurs, les groupes électrogènes etc.

Attention, contenu technique !

 

1/ Bonjour Paul, heureux de t’accueillir sur La Toile Electrique !
Peux-tu nous parler brièvement de ta carrière et en quoi a consisté ton poste au sein de la société qui t’a employé pendant de longues années?

Je suis ingénieur diplômé en électrotechnique. Mon premier job a été chargé d’affaires dans une grosse entreprise d’installation électrique.
J’ai donc trouvé mon deuxième job comme ingénieur commercial dans un grand groupe français du domaine électrique. À cette époque nous devions vendre une palette de produits absolument incroyables. Nous étions donc assez nombreux, chacun spécialisé sur un groupe de produits et chargé dans un secteur géographique de prospecter pour l’ensemble de la gamme. Si une touche devenait sérieuse dans un domaine qui n’était pas le nôtre, c’est le collègue concerné qui poursuivait. C’était passionnant et m’a rapidement donné une formation basique sur l’ensemble de ces produits.

Mais ma spécialité a toujours été ce qu’on appelle « la distribution d’énergie », ce qui comprend :

  1. La HTB (<90KV pour moi), les postes HTA (enveloppes, cellules, transfos, TGBT)
  2. Les tableaux BT (mais sur la fin uniquement les gros TGBT), l’appareillage, les condensateurs, les groupes électrogènes, les relais de protection, les études de réseaux.

Après avoir goûté à ce qu’on appelait l’utilisation d’énergie ( moteurs, pompes, démarreurs, variateurs, automates, palans et ponts, et bien d’autres choses) pendant 4 ans, je suis revenu définitivement à la distribution d’énergie.
Mes clients : EDF, la grosse et moyenne industrie, le gros tertiaire, les installateurs (enfin ceux qui pouvaient acheter mes produits) …

 

2/ Je voulais t’interviewer sur les groupes électrogènes, car il me semble que tu en as vendu pas mal! Peux-tu nous dire en quelques mots ce qu’est un groupe électrogène et nous énumérer ses principaux composants?

Un groupe électrogène est l’association d’une machine produisant de l’énergie mécanique et d’un alternateur.

Une centrale nucléaire est un groupe électrogène + une chaudière (mais oui !)…

Aussi dans la pratique, a-t-on pris l’habitude de parler par exemple de centrale hydraulique, nucléaire, à charbon etc, et de groupe turbo-alternateur, groupe hydraulique, groupe à turbine à gaz .
On réserve l’appellation groupe électrogène à l’association moteur à combustion ou à explosion et alternateur (plus rarement génératrice asynchrone ou continue).

Dans ce qui suit, on ne considèrera que les alternateurs:

Pour que cela fonctionne, il faut une régulation de vitesse sur le moteur et une régulation de tension sur l’alternateur (ou la génératrice), un ensemble de capteurs et de sécurités, un système de gestion du démarrage et de l’arrêt qui peut être manuel ou automatique.

Un groupe doit normalement être autonome, il faut donc une source d’énergie de démarrage qui peut être mécanique, pneumatique ou électrique. C’est la notion du « black start » permettant de démarrer en l’absence de tout réseau.

 

 3/ Un groupe électrogène sert principalement à secourir une installation électrique. Comment dimensionner un tel équipement ?

Il est essentiel de comprendre que chaque machine a sa fonction, qui est différente :

  • Le moteur fournit la puissance active, équivalente à ce qui est facturé par EDF. Il doit pouvoir faire face aux pointes de consommation (démarrage de gros équipements en particulier) alors que sa capacité de surcharge est très limitée.

La capacité de surcharge est nulle pour un groupe dits « de secours » –ESP selon la norme- et généralement de 10% pour les autres, ce qui n’est pas grand-chose.

Il faut donc s’assurer que la charge maxi déterminée par le constructeur du groupe ne sera jamais dépassée. Cette charge est différente selon qu’il s’agit d’un groupe de production continue, ou non, à charge constante ou variable, de secours.
Il ne faut jamais se baser sur la puissance du moteur lui-même : outre le rendement de transmission, cette puissance est déterminée au régime maxi du moteur et non pas au régime de rotation du groupe, imposé par la fréquence et le nombre de pôles(3000, 1500, voire 1000trmn). Un moteur d’engin défini pour 2200 tr/min délivre 30 à 40% de moins à 1500 tr.

  • L’alternateur transforme cette puissance mécanique en puissance active et y « ajoute » la puissance réactive nécessaire. Il s’agit d’un « modèle mathématique » (méthode de Boucherot) très pratique à utiliser, mais en fait il suffit que la régulation ajuste la tension à la bonne valeur pour que la quantité nécessaire de réactif soit générée.

Il y a donc deux équilibres fondamentaux :

  1. La fréquence, pour laquelle la régulation du moteur ajuste en permanence l’injection pour que  la puissance absorbée soit égale à la puissance générée. Si l’on produit trop la fréquence augmente et inversement.
  2. La tension, pour laquelle la régulation de l’alternateur ajuste en permanence l’excitation pour que la puissance réactive absorbée soit égale à la puissance réactive générée. Si l’on produit trop la tension monte et inversement. A noter que cette régulation est bien plus complexe si l’on a une génératrice asynchrone (dépourvue de régulation).

La grandeur caractéristique de l’alternateur est le courant.
Dans la limite de ce que peut supporter l’excitatrice, entre le mini et le maxi d’induction, les possibilités de surcharge sont bien plus élevées que celles du moteur… Les machines munies d’un correcteur de court-circuit peuvent fournir couramment 3In, jusqu’à 4 pour les plus performantes, pendant quelques secondes. C’est très utile pour permettre le déclenchement des protections aval et le démarrage de moteurs asynchrones.

Si la puissance active est insuffisante, le groupe rampe (sous-fréquence) ou cale…Si la puissance apparente dépasse la puissance assignée de l’alternateur, l’alternateur est en surcharge et la protection déclenche afin de protéger ses enroulements. Si cette insuffisance est très importante, comme quand on démarre un gros moteur, la tension s’effondre et peut même passer à zéro sur de petits groupes.

Pour déterminer un groupe électrogène, il faut donc faire deux calculs :

  • Un en puissance active sachant qu’on ne doit jamais dépasser la puissance de pointe du groupe. C’est généralement la puissance assignée pour les groupes de secours, et celle-ci majorée de 10% pour les groupes de production (PRP).
  • Un en puissance apparente (ou en intensité). La puissance apparente de l’alternateur est limitée par le disjoncteur, elle ne doit pas être dépassée sur une longue période, mais permet de larges surcharges temporaires, jusqu’à 50% sans problèmes.

C’est une gymnastique qui peut sembler compliquée, mais la plupart du temps les deux puissances sont indiquées sur les appareils.

Lorsqu’une installation comporte une séquence de démarrage de plusieurs moteurs, le groupe doit pouvoir « encaisser » au démarrage de chacun d’entre eux :
-La puissance appelée par le premier
-La puissance déjà appelée par les autres en service
Il faut donc, si possible, démarrer les plus gros moteurs ou les équipements les plus « gourmands » en premier.

groupe electrogene

4/ Quelles sont les principales protections à mettre en oeuvre sur un groupe électrogène (mécanique, électrique, thermique…) ?

La plupart des alternateurs coupent l’excitation en cas de sous-fréquence ou de sous-tension prolongée (typiquement 10 sec).
Les alternateurs doivent être protégés des surcharges par un disjoncteur ou une protection thermique.
Cette protection assure une très relative protection du moteur.

Compte-tenu de sa fragilité, il vaut mieux s’assurer qu’il ne peut pas être surchargé de façon durable.
Les groupes de puissance >10KVA sont normativement définis à Cos phi 0,8, ce qui signifie qu’un 100 KVA (limite alternateur) délivre 80KW maxi (limite moteur).

Si le Cos phi est 1, il fera toujours 80KW, mais 80 KVA, et s’il est égal à 0,6 le groupe ne pourra plus débiter alors que 60KW et toujours 100 KVA

Actuellement, la puissance des petits groupes est normalement indiquée en KW, avec indication de la puissance apparente possible ou du courant permanent max.
Il existe un certain nombre de sondes et de capteurs qui protègent le moteur.  Elles sont du domaine du motoriste et du « metteur en groupe ».

 

5/Peux-tu expliquer ce que sont les différentes réactances d’un groupe électrogène, indiquées par le constructeur ?

La grandeur caractéristique du régime de court-circuit d’un alternateur est la réactance, exprimée en %.

C’est une grandeur analogue à la tension de court-circuit d’un transformateur (Ucc%).
Elles sont exprimées suivant la décomposition en composantes symétriques: directes, inverses et homopolaires.

On distingue aussi les réactances longitudinales et transversales en fonction de l’orientation par rapport au rotor.

Enfin lors d’un court-circuit, les réactances varient de façon importante et rapide.
On utilise couramment :

  1. la réactance longitudinale subtransitoire directe X’’d (15-25 ms)
  2. la réactance longitudinale transitoire directe X’d (3 à 500 ms)
  3. la réactance longitudinale synchrone directe Xs (permanente)
  4. la réactance homopolaire Xo

On donne (guide UTE C15-105) :

Ik 3= c*m*Uo/X’d (c facteur de tension, m facteur de charge)
Ik1 = 3*c*m*Uo/(2X’d+Xo)

Pour passer de X% à X :

X = Un²/S*X%/100 quel que soit le X

 

6/ Ok, trop facile! Pourquoi un groupe électrogène peut générer un courant de court-circuit maximal triphasé relativement faible à ses bornes (de l’ordre de 3In), contrairement à celui d’un transformateur ?

La réactance longitudinale d’un alternateur est considérablement supérieure à celle d’un transformateur, particulièrement la réactance synchrone.

Les valeurs typique d’un alternateur 70 kVA actuel sont:
Xd=310% ; X’d=12% ; X’’d=6% ; Xo=0,8%

On voit que l’Ik3 transitoire sera à peu près le tiers de celui d’un transfo équivalent (Ucc 4%), mais l’Icc tri permanent est très problématique de façon « native », ce qui serait le cas d’une excitation shunt.
C’est pourquoi par divers artifices on adjoint un « correcteur de court-circuit » permettant d’obtenir 3In (voire 4 avec excitatrice à aimants permanents) pendant 10 s. Sur les petits alternateurs <10KVA, cela peut descendre à 2,5 In.

 

 

7/ On entend souvent dire qu’un groupe doit être périodiquement testé avec une charge et non à vide, ce qui risquerait à terme de l’endommager. Peux-tu nous en dire davantage ?

Tout moteur thermique ne fonctionne correctement qu’à une certaine température.

Si celle-ci est trop faible, les pistons diminuent de diamètre et l’étanchéité de la segmentation est moins bonne.
De l’huile pénètre alors dans les cylindres, brûle et des suies s’accumulent sur les parois, ce qui accentue le phénomène et provoque une usure rapide.
Lors d’un fonctionnement prolongé à vide, l’huile de graissage peut passer dans l’échappement.
Les moteurs Diesel refroidis par air sont les plus sensibles, il ne tolèrent pas une charge inférieure à 40% de façon prolongée (30-35% si refroidis par eau).
Les moteurs à essence sont moins sensibles, et ceux à gaz encore moins.

 

 

8/ De quelle façon un groupe électrogène prend le relais en secours sur une installation dont la source normale est défaillante ?

Un relais surveille la tension du réseau et provoque le démarrage du groupe.
Un autre relais surveille la tension alternateur et commande le basculement du contacteur S (secours).
Lorsque la tension secteur revient, un contact du premier relais provoque la retombée de S et N remonte automatiquement.
Chaque bobine est alimentée par la tension du réseau concerné. Des temporisations empêchent les déclenchements et retours intempestifs et les deux contacteurs N et S sont obligatoirement munis de verrouillages électriques (contacts) et mécaniques (bielles) afin d’éviter tout couplage des deux réseaux qui serait destructeur.

Il est cependant possible de coupler un groupe au réseau ou deux (ou plusieurs) groupes entre eux à condition qu’ils soient munis d’un synchro-coupleur assurant l’égalité parfaite des vitesses et la concordance des sinusoïdes avant d’autoriser l’opération !

groupes electrogènes


9/ Un groupe électrogène, est-ce une machine synchrone ou asynchrone ?

C’est presque toujours une machine synchrone, car la régulation dont j’ai parlé est très difficile à obtenir avec une machine asynchrone.

Il faut alors mettre en/hors service des condensateurs avec des contacteurs ou un gradateur.

On trouve des machines asynchrones sur de petits groupes « basiques » qui fonctionnent à cos phi 1, donc uniquement avec des charges résistives.
Leur régulation de tension n’est pas fameuse…
Si les groupes fonctionnaient couplés au réseau en permanence comme les éoliennes, il serait possible d’utiliser des génératrices asynchrones puisque la tension est fixée par le réseau.

 

Merci beaucoup Paul pour ce partage de connaissances et ce contenu très enrichissant !

A bientôt sur La Toile Electrique !

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11 réponses à Groupes Electrogènes: interview d’un spécialiste

  1. djimtola leori albert dit :

    très intéressant merci beaucoup!

  2. olivier dit :

    c’est cool vos enseignements. Si vous pouvez chaque fois m’envoyer ces enseignements sur mon mon mail,je serai très ravi. Sinon moi même je suis un électrotechnicien en cours de formation ici à Tabligbo TOGO.

  3. fabrice latt dit :

    merci pour vos informations

  4. Mve nguema Toussaint dit :

    j’aimerais savoir comment fixer et réglage d’un variateur de vitesse sur un groupe de marque KIPOR 4 cylindres,4 temps en moteur diesel?

  5. Bonjour
    J’ai un défaut de démarrage intempestive qui arrete le groupe caterpillar après un démarrage long ( module de démarrage power wizard 3.1 et 3.2) merci me donner la solution pour démarrer

  6. ndong obame dit :

    BONJOUR,
    j’aimerais savoir à quoi est du un defaut mini tension sur un groupe électrogène en fonctionnement.

  7. khalifa djebbi dit :

    Je trouve l’article :Interview de Mr Paul Trémeau spécialiste sur Groupes Électrogènes est très intéressant.
    Y a il d’autre article similaire sur le groupes électrogène , je vous remercie.

  8. corentin dit :

    j’ai un groupe électrogène qui stoppe en sécurité après m’avoir donné l’alarme de puissance réactive basse!! avez vous une solution??

  9. Agbomedji kokouvi lucien dit :

    merci pour votre enseignement j’ai un groupe marque esdmo 44T lorsque le secteur est abscent le démarrage auto s’effectue parfois é parfois non quel est le problème svp répondé moi vite

  10. ousmane sissouma dit :

    bonsoir mieu vaut tard que jamais cette interview est tres insructive pour comprendre le fonction d`un group ,merci beaucoup.cependant je voudrais savoir les causes de retour de charge et surtout reactive sur un groupe

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