MACHINES ÉLECTRIQUES ET RÉSEAUX, 4ÈME ANNÉE, OPTION ÉLECTRICITÉ
Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.
PRÉLIMINAIRES
1. Objectifs Généraux du Cours 🎯
Ce cours terminal représente la synthèse de l’ensemble du cursus en électricité, se concentrant sur les machines et les systèmes qui constituent l’épine dorsale du monde de l’énergie électrique. L’objectif est de former un technicien de haut niveau, capable de comprendre la technologie, le fonctionnement, et la mise en œuvre des machines tournantes, des transformateurs, des convertisseurs de puissance et des réseaux de distribution. Au terme de ce module, l’apprenant doit pouvoir analyser les performances d’un moteur, comprendre les enjeux du couplage des alternateurs sur un réseau, appréhender les principes de la variation de vitesse électronique et saisir l’architecture globale d’un système de production et de transport d’énergie.
2. Approche Pédagogique Recommandée 🧑🏫
La pédagogie de cette dernière année doit être fortement axée sur les essais de machines en laboratoire et l’analyse de systèmes complexes. Chaque machine étudiée en théorie fera l’objet d’une campagne d’essais pour en déterminer expérimentalement les caractéristiques (rendement, couple-vitesse, etc.). L’enseignant encouragera une vision systémique, en reliant constamment la performance d’un composant (un transformateur) à son rôle dans l’ensemble du réseau. Un projet de fin d’études intégrateur est fortement recommandé, où les élèves, en équipe, conçoivent une installation électrotechnique complète (par exemple, l’équipement d’un petit atelier industriel ou d’une station de pompage agricole dans la périphérie de Kananga), incluant le choix des machines, le dimensionnement des protections et l’élaboration des schémas.
3. Prérequis du Cours 📚
Une maîtrise totale et approfondie de l’ensemble des connaissances et compétences des trois années précédentes est un prérequis non négociable. L’élève doit exceller dans l’analyse des circuits en régime sinusoïdal triphasé, la lecture de schémas industriels complexes et la compréhension des principes de l’électromagnétisme. Une capacité d’analyse, de synthèse et de résolution de problèmes techniques est indispensable pour aborder ce cours de couronnement.
PARTIE 1 : LES MACHINES SYNCHRONES ET LA PRODUCTION D’ÉNERGIE
Cette partie est consacrée à la machine synchrone, composant central de la production d’énergie électrique. Son étude en tant que génératrice (alternateur) et en tant que moteur permet de comprendre comment l’énergie est injectée dans le réseau et comment elle peut être utilisée pour des applications de forte puissance ou pour la stabilisation du réseau lui-même.
Chapitre 1: L’Alternateur Triphasé : Production de l’Énergie Électrique
1.1. Constitution et Principe de Fonctionnement
La structure détaillée de l’alternateur (rotor à pôles lisses ou saillants, stator bobiné) est examinée. Le principe de la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique par la rotation d’un champ magnétique inducteur est expliqué.
1.2. Modélisation et Diagramme de Potier
Le modèle équivalent par phase de l’alternateur est affiné pour tenir compte de la saturation du circuit magnétique. Le triangle de Potier, déterminé par des essais spécifiques (à vide, en court-circuit), est construit pour séparer la réactance de fuite de la réaction d’induit.
1.3. Couplage en Parallèle sur le Réseau
La procédure de synchronisation d’un alternateur avec un réseau de puissance infinie est détaillée. Les manœuvres sur le régulateur de vitesse (pour contrôler la puissance active) et sur le régulateur de tension (pour contrôler la puissance réactive) sont analysées.
1.4. Stabilité Statique et Dynamique
La notion de stabilité d’un alternateur couplé au réseau est introduite. La stabilité statique (maintien du synchronisme lors de variations lentes) et la stabilité dynamique (comportement suite à un défaut brusque) sont définies comme des enjeux majeurs pour la sécurité des grands réseaux interconnectés comme celui reliant le barrage d’Inga à la ceinture de cuivre du Katanga.
Chapitre 2: Le Transformateur et la Gestion des Niveaux de Tensions
2.1. Le Transformateur Triphasé : Couplages et Indice Horaire
L’étude des transformateurs triphasés est approfondie. L’élève apprend à identifier les différents couplages (Yy, Dd, Yd, etc.) et à comprendre l’importance de l’indice horaire pour le couplage en parallèle et la constitution des réseaux.
2.2. Essais du Transformateur et Détermination de ses Éléments
Les essais normalisés du transformateur sont étudiés : l’essai à vide (pour mesurer les pertes fer) et l’essai en court-circuit (pour mesurer les pertes cuivre et déterminer l’impédance interne). Ces essais permettent de construire le modèle équivalent.
2.3. Le Rendement du Transformateur
Le calcul du rendement du transformateur est effectué à partir des résultats des essais. La condition de rendement maximal (pertes fer = pertes cuivre) est démontrée, expliquant pourquoi on choisit un transformateur en fonction de son profil de charge.
2.4. L’Autotransformateur et les Transformateurs Spéciaux
La technologie de l’autotransformateur, qui ne possède qu’un seul enroulement, est présentée, avec ses avantages (rendement, compacité) et ses inconvénients (pas d’isolation galvanique). Les transformateurs de mesure (TC, TP) sont également revus dans ce contexte.
PARTIE 2 : LES MOTEURS ASYNCHRONES ET LA CONVERSION ÉLECTROMÉCANIQUE
Cette section est dédiée au moteur asynchrone, véritable « cheval de trait » de l’industrie mondiale. Son étude approfondie, de ses caractéristiques à ses modes de commande, est une compétence fondamentale pour tout technicien intervenant dans un environnement de production.
Chapitre 3: Le Moteur Asynchrone Triphasé : Caractéristiques et Bilan
3.1. Le Schéma Équivalent Monophasé
Le schéma électrique équivalent d’une phase du moteur asynchrone est établi par analogie avec le transformateur. Ce modèle permet de calculer par le calcul toutes les performances de la machine (courants, couple, rendement).
3.2. Bilan des Puissances Détaillé
Le diagramme de flux de puissance est analysé en détail, depuis la puissance absorbée au stator jusqu’à la puissance utile sur l’arbre, en identifiant chaque poste de perte : pertes Joule stator et rotor, pertes fer, et pertes mécaniques.
3.3. La Caractéristique Couple-Vitesse
La formule du couple électromagnétique est établie à partir du schéma équivalent. L’allure de la courbe est analysée en détail, en identifiant les points remarquables : couple de démarrage, couple maximal (couple de décrochage) et couple nominal.
3.4. Plaque Signalétique d’un Moteur
L’élève apprend à lire et à interpréter l’ensemble des informations contenues sur la plaque signalétique d’un moteur : tensions, courants, vitesses, puissances, facteur de puissance, classe d’isolation, service de fonctionnement (S1, S3, etc.).
Chapitre 4: Démarrage et Contrôle des Moteurs Asynchrones
4.1. Problématique du Démarrage
L’appel de courant très important lors du démarrage direct d’un moteur asynchrone est expliqué. Les contraintes mécaniques (à-coups) et électriques (chutes de tension sur le réseau) qui en découlent justifient l’utilisation de procédés de démarrage à tension réduite.
4.2. Comparaison des Procédés de Démarrage
Une comparaison technique et économique des différents procédés est effectuée : démarrage direct, étoile-triangle, par résistances statoriques, et par démarreur électronique progressif, en fonction de la taille du moteur et de l’application.
4.3. Le Freinage des Moteurs Asynchrones
Les différentes méthodes de freinage sont étudiées : le freinage par injection de courant continu, le freinage par contre-courant (inversion de phases) et le freinage par récupération (hypersynchronisme), utilisé dans les applications de levage.
4.4. Maintenance et Diagnostic des Pannes
Une méthodologie de diagnostic des pannes courantes des moteurs est présentée : défauts d’isolement (mesure au mégohmmètre), usure des roulements (analyse vibratoire et thermique), et problèmes liés à l’alimentation (déséquilibre de phases).
PARTIE 3 : L’ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ET LA COMMANDE MODERNE
Cette partie constitue une mise à jour cruciale du programme, en se concentrant sur les technologies de conversion d’énergie à base de semi-conducteurs. Elle est la clé pour comprendre la variation de vitesse, les alimentations modernes et l’intégration des énergies renouvelables.
Chapitre 5: Les Convertisseurs Statiques et l’Électronique de Puissance
5.1. Le Redresseur Commandé Triphasé
Le pont de Graetz tout thyristors est étudié comme le convertisseur AC/DC standard de l’industrie de puissance. Sa capacité à fournir une tension continue réglable en sortie est démontrée, une fonction essentielle pour l’alimentation de moteurs à courant continu ou pour la charge de batteries.
5.2. Le Hacheur (Convertisseur DC/DC)
Le principe du hacheur, qui permet de faire varier la valeur moyenne d’une tension continue, est expliqué. Les hacheurs « série » (abaisseur de tension) et « parallèle » (élévateur de tension) sont présentés.
5.3. L’Onduleur Autonome
L’onduleur, qui convertit le DC en AC, est étudié plus en détail. Le principe de la Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI ou PWM) pour recréer une onde de tension quasi sinusoïdale à partir d’une source continue est expliqué.
5.4. Applications : L’Alimentation Sans Interruption (ASI/UPS)
L’architecture d’une ASI (ou onduleur) est analysée comme une application intégrée des convertisseurs : un redresseur charge les batteries, et un onduleur prend le relais en cas de coupure pour assurer la continuité de l’alimentation des équipements critiques (hôpitaux, centres informatiques) à travers le pays.
Chapitre 6: La Variation de Vitesse des Moteurs Électriques
6.1. Principe de la Commande à U/f Constant
La loi fondamentale de la variation de vitesse du moteur asynchrone est établie : pour maintenir un couple constant, il faut faire varier la tension d’alimentation proportionnellement à la fréquence.
6.2. Structure d’un Variateur de Vitesse
L’architecture d’un variateur de fréquence moderne est disséquée : un pont redresseur, un bus continu avec des condensateurs de filtrage, et un onduleur de puissance à IGBT qui recrée un système de tensions triphasées à fréquence et amplitude variables.
6.3. Paramétrage d’un Variateur de Vitesse
L’élève est initié aux paramètres de base d’un variateur : rampes d’accélération et de décélération, fréquences limites, et réglage des protections intégrées (surcharge, surtension).
6.4. Avantages et Applications de la Variation de Vitesse
Les bénéfices de l’utilisation des variateurs sont quantifiés, en particulier les économies d’énergie massives sur les applications de pompage et de ventilation. Des exemples concrets sont analysés, comme la modernisation des entraînements dans l’industrie minière du Lualaba.
PARTIE 4 : LES GRANDS RÉSEAUX ET APPLICATIONS
Cette dernière partie prend de la hauteur pour examiner l’ensemble du système électrique, de la production à l’utilisation finale, en passant par le transport. Elle aborde également des applications industrielles spécifiques qui consomment une part importante de l’énergie électrique.
Chapitre 7: Production et Transport de l’Énergie Électrique
7.1. Les Centrales à Énergies Renouvelables
L’étude des centrales renouvelables est approfondie. Pour le solaire photovoltaïque, la technologie des panneaux et des onduleurs de réseau est détaillée. Pour l’éolien, la technologie des aérogénérateurs à vitesse variable est présentée. L’enjeu de l’intermittence est discuté.
7.2. Le Réseau de Transport et d’Interconnexion
La structure du réseau de transport THT est étudiée, non plus comme une simple ligne, mais comme un maillage complexe. Le rôle des postes d’interconnexion pour la gestion des flux d’énergie et la sécurisation de l’alimentation est expliqué, en prenant l’exemple de la ligne THT Inga-Kolwezi.
7.3. La Stabilité et la Qualité de l’Énergie
Les notions de stabilité du réseau (maintien de la fréquence et de la tension) sont approfondies. La gestion de l’équilibre production-consommation en temps réel par le « dispatching national » est expliquée. Les perturbations de la qualité de l’onde (harmoniques, creux de tension) sont définies.
7.4. La Traction Électrique
Le principe de la traction électrique (ferroviaire) est présenté. L’architecture d’une locomotive électrique est décrite, avec son système de captage (pantographe), son transformateur embarqué et ses convertisseurs de puissance qui alimentent les moteurs de traction.
Chapitre 8: Protection des Réseaux Électriques
8.1. Le Plan de Protection d’un Réseau
Le concept de plan de protection est introduit comme l’organisation hiérarchisée et coordonnée de toutes les protections d’un réseau pour garantir l’élimination rapide et sélective des défauts.
8.2. La Protection des Lignes de Transport
La technologie de la protection de distance est présentée comme la solution standard pour les lignes THT. Elle mesure l’impédance de la ligne pour localiser le défaut et déclencher de manière sélective.
8.3. La Protection des Transformateurs
La protection différentielle est étudiée en détail comme la protection principale contre les défauts internes des transformateurs. D’autres protections spécifiques comme le relais Buchholz (dégagement gazeux dans l’huile) sont également décrites.
8.4. Applications Industrielles : Fours et Soudage
Le cours se conclut sur l’étude technologique d’applications électrothermiques de forte puissance. Le principe du four à arc pour la sidérurgie et du four à induction pour la fusion de métaux est expliqué. Les postes de soudage à l’arc modernes (type onduleur) sont également analysés.
ANNEXES
Les annexes constituent un mémento pour l’ingénieur technicien. Elles contiennent des fiches de synthèse sur le choix et le dimensionnement des machines électriques, des abaques de démarrage moteur, des schémas de principe pour les variateurs de vitesse et les protections de réseau, et un glossaire complet des termes relatifs aux machines et réseaux électriques.