Sommaire de l'article
A quoi sert un groupe électrogène ?
Nous constatons que les besoins en énergie augmentent. Année après année, il devient de plus en plus difficile pour EDF de produire suffisamment d’énergie. Nous commençons d’ailleurs à entendre, par les médias interposés, que des « délestages » peuvent être envisagés. Pour parer ces risques de délestages, un groupe électrogène peut apporter une solution efficace.
Le bilan annuel 2015 établi par ERDF (RTE) montre que la consommation augmente d’environ 0,5% par année. Conformément aux graphiques ci-dessous, et ce malgré une certaine stabilité entre 2011 et 2013.
Au regard de ces éléments, particuliers et industriels viennent à s’équiper d’un groupe électrogène.
Nous allons, dans ce premier article, faire une présentation sommaire des groupes électrogènes. Puis, dans un second article, voir les technologies fréquemment rencontrées.
Le groupe électrogène – le principe fonctionnel
Un groupe électrogène est l’association d’une machine produisant de l’énergie mécanique et d’un alternateur. Une centrale de production électrique est en fait un « groupe électrogène couplé à une “chaudière” ».
Aussi, dans la pratique, a-t-on pris l’habitude de parler par exemple de centrale hydraulique, centrale nucléaire, centrale à charbon, … Mais aussi 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 (génératrice synchrone et plus rarement génératrice asynchrone ou continue), répondant à la Norme ISO 8528-1.
Pour qu’un groupe électrogène ou alternateurs fonctionnent, il faut une régulation de vitesse sur le moteur et une régulation de tension sur l’alternateur. De plus, ils doivent être munis d’un ensemble de capteurs et de sécurités. Enfin, ils sont équipés d’un système de gestion du démarrage et de l’arrêt qui peut être manuel ou automatique. (nous verrons de façon plus détaillé la technologie employée, lors d’un second article).
Autonomie
Un groupe électrogène doit normalement être autonome. Il faut donc une source d’énergie de démarrage qui peut être mécanique, pneumatique ou électrique. Le moteur fournit la puissance active, exprimée en KW, 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 dit « de secours » (en Mode ESP : production énergie secours) selon la norme ISO 8528 et généralement de 10% pour les autres (Mode PRP : production régime permanent).
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 (exprimée en KW) : outre le rendement calculée sur la 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 de l’alternateur (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
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.
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 : 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. Elles peuvent aller jusqu’à 4In pour les plus performantes, pendant quelques secondes.
Ce paramètre est très important pour assurer le déclenchement des protections disjoncteurs. Elles se situent en aval ainsi que le démarrage de moteurs asynchrones.
Si la puissance active est insuffisante, le groupe rampe (sous-fréquence) ou cale. En revanche, si la puissance apparente dépasse la puissance assignée de l’alternateur, l’alternateur est en surcharge. Alors, La protection se déclenche afin de protéger ses enroulements. Dans le cas où 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.
Les groupes électrogènes – quelle utilisation ?
Comme nous l’avons vu précédemment, il existe différentes catégories de personnes susceptibles d’utiliser des groupes électrogènes. Selon qu’il s’agit de besoins particuliers ou professionnels. Sur le plan professionnel, les utilisations sont également diverses selon les besoins et les circonstances. Par exemple, un hôpital se doit d’avoir un groupe électrogène de secours en remplacement de la source principale. Il doit être d’une puissance importante au regard des consommations énergétiques constatées dans ce type de milieu.
Pour certains industriels, le choix peut s’orienter vers un groupe électrogène de secours ou un groupe électrogène de type EJP. Cela permet d’écrêter les consommations en période creuse.
Différents modes de production ou d’utilisation sont à considérer
Mode de Production de pointe
Le groupe électrogène est utilisé pour couvrir les besoins en pointes du réseau électrique public.
En présence du réseau normal EDF, le groupe électrogène se trouve en mode « repos ou stand by ». Il n’entre en activité que pour compenser les pointes de consommation électrique. C’est un mode de fonctionnement EJP.
Mode de Production d’énergie électrique autonome
Le groupe électrogène sert à la production énergétique, alimentant un réseau de distribution. Ce type d’installation trouve son application sur des sites où le réseau de distribution public est inexistant, et techniquement ou économiquement impossible à mettre en place, tel qu’en montagne, ou encore sur une île. La durée de fonctionnement annuelle de ces groupes électrogènes est souvent très élevée.
Mode de Production de secours
Les groupes électrogènes de secours sont destinés à alimenter un établissement en courant électrique en cas d’absence ou de défaillance du réseau public. Ces groupes électrogènes se mettent automatiquement en route dès qu’il détecte une absence réseau. Ce type de groupes électrogènes est mis en place dans des bâtiments où les absences secteur induisent une mise en danger de vies humaines (hôpitaux ou EHPAD) ou encore dans le cas de pertes de productivité (banques ou Centres de données type Datacenters).
Mode de Production de secours inversé
Pour des sites où la production d’électricité constante est critique, comme le site de lancement de la navette Ariane Espace ou l’éclairage d’un stade de Football, un groupe électrogène est chargé de la production d’énergie principale. Si celui-ci venait à avoir une défaillance technique, le relai est assuré par le réseau public.
Le groupe électrogène est essentiel au fonctionnement de nombreuses entreprises et administrations. Son dysfonctionnement est synonyme de perte de productivité et d’argent. Il peut être extrêmement dangereux dans les cas où il est utilisé en tant que générateur de secours.
Les groupes électrogènes – quelle technologie ?
Pour ce qui est des applications industrielles, le choix est beaucoup plus vaste de façon à répondre au plus grand nombre y compris à des applications spécifiques telle que la cogénération (récupération de la chaleur pour des besoins agricoles ou industriels).
Les groupes électrogènes de type industriels sont de diverses natures, montés sur châssis monobloc, avec ou sans capotage de protection en cas d’installation extérieure, avec ou sans système de ventilation (simple radiateur air-eau couplé au moteur thermique ou avec des aéro-ventilateurs extérieurs voire déportés).
La majorité des groupes électrogènes de type industriel comportent les éléments ou systèmes suivants :
Ventilation
Lors de son fonctionnement, le groupe consomme du carburant et produit de l’énergie mécanique qui se traduit ensuite en énergie électrique par l’alternateur ou la génératrice. Les groupes électrogènes actuels ont un rendement souvent bien inférieur à 50% par rapport à la valeur calorifique du carburant. C’est-à-dire que lors de sa combustion, la moitié du carburant se convertit en énergie électrique tandis que l’autre se convertit en chaleur.
Lors de sa transformation, le carburant réchauffe le groupe. Cette augmentation en température peut entrainer une :
- surconsommation de carburant par le groupe,
- baisse de son rendement,
- casse du moteur.
La ventilation d’un groupe électrogène est donc nécessaire, afin d’éviter la surchauffe du moteur pouvant entrainer certaines dégradations. Dans le cas où un groupe électrogène de forte puissance se place dans un local à l’espace réduit, le radiateur se déporte éventuellement à l’extérieur.
Préchauffage
Les groupes électrogènes délivrant une forte puissance sont également plus imposants. Ils nécessitent un maintien permanent de leur température afin d’optimiser leur démarrage. A l’identique d’un moteur de camion ou de véhicule, qui est froid voire même très froid en hiver, on constate qu’il est toujours difficile de le démarrer.
Afin de pouvoir démarrer le moteur à chaud, un circuit de préchauffage doit maintenir la température du moteur, depuis son extinction jusqu’à son redémarrage.
Ainsi pour des groupes situés en extérieurs, ou dont les locaux possèdent une ouverture d’air frais, le préchauffage peut être extrêmement couteux en énergie, car la chaleur émise se dissipe à l’extérieur.
Afin d’éviter toute dispersion de la chaleur émise par le réchauffeur à l’extérieur du local, dans une optique d’économie d’énergie, les registres d’isolement disposés en entrée d’air frais et sortie d’air chaud se ferment lors de l’extinction du groupe électrogène, puis piloté à l’ouverture au démarrage de ce dernier.
Cette disposition permet également de conserver la chaleur du local, réduisant les coûts relatifs au maintien de la température du moteur lorsqu’il est à l’arrêt.
Le groupe électrogène étant à l’arrêt, il n’est pas possible de transposer cette chaleur à toutes les parties du bloc moteur, l’utilisation d’un circulateur permet d’uniformiser la chaleur à l’ensemble du moteur.
Conclusion de la seconde partie
Nous avons vu au cours de cette partie de l’article, qu’il existe plusieurs types de groupe électrogène sur le segment des énergies dites de remplacement, selon que les besoins soient d’ordre domestique ou industriel.
Nous avons commencé à présenter la technologie employée au niveau de ces groupes électrogènes ; en particuliers pour les groupes dits industriels.
Dans la troisième partie, nous compléterons notre présentation des systèmes technologiques permettant leur fonctionnement et nous verrons également qu’il devient très vite complexe de définir le matériel en fonction de la mise en œuvre sur le lieu d’installation.
Groupes électrogènes : système acoustique
Un groupe électrogène est générateur de bruit? Le niveau sonore à sa proximité peut atteindre des valeurs très importantes (jusqu’à 120 – 130 dB(A)).
L’émergence se définit comme la différence entre les niveaux de bruit mesurés lorsque l’installation est en fonctionnement et lorsqu’elle s’arrête.
La législation s’appliquant aux groupes électrogènes au sein d’un ERP (établissement recevant du public) est encadrée par les réglementations du voisinage et du bruit au travail.
Elle définie le niveau de bruit maximum, valeur qu’on appel l’émergence sonore.
Bruit rayonné
Il est indispensable d’atténuer l’émission des bruits par les groupes électrogènes par en mettant en œuvre des dispositions telles que :
- un capotage acoustique du moteur lui-même, dans le cas où il n’y pas de local dédié uniquement au groupe électrogène, celui se recouvre de panneau isolant en laine minérale qui limite les émergences sonores.
- un traitement des parois : lorsque le groupe électrogène dispose d’un local dédié, on traite les parois au moyen d’enceintes acoustiques absorbants les émergences sonores.
des fermetures par portes insonorisantes.
Bruit propagé
Des solutions sont également déployées pour traiter acoustiquement le local :
- Des baffles placés en entrée et sortie d’air, permettent au moyen de membranes en laine minérale de réduire les vibrations du flux d’air entrant et sortant, diminuant ainsi le niveau sonore global.
- Plusieurs silencieux d’échappement, permettent de réduire le niveau de bruit propagé au travers de l’échappement.
- Des suspensions anti-vibratiles fixées sous le bloc moteur permettent d’absorber une partie des vibrations crées par le groupe électrogène lors de son fonctionnement
Alternateur produisant l’énergie électrique
L’alternateur transforme le mouvement rotatif d’un arbre moteur, donc de l’énergie mécanique, en un courant électrique.
Pour cela, l’alternateur se compose d’un rotor équipé d’électroaimants tournant à l’intérieur d’un stator composé d’une bobine de fil de cuivre. Les champs magnétiques successifs créés par la rotation des aimants génèrent un courant électrique induit distribué vers la sortie du groupe électrogène après traitement par les composants électroniques qui assure la régulation. Les tensions nominales vont du 230Vac monophasé au 400Vac triphasé, voire même dans certains cas en haute tension (par exemple en 5,5KV).
La fréquence des groupes varie en fonction du nombre de pôles de l’alternateur. Les petits groupes domestiques tournent à des vitesses de l’ordre de 1500 Tr/mn voire jusqu’à 3 000 Tr/mn, alors que les groupes électrogènes industriels ont des fonctionnements à 1 500 Tr/mn.
La puissance de l’alternateur
La rotation des électroaimants de l’alternateur créé une résistivité élevée proportionnelle à la quantité de courant demandée. Dès que la quantité de courant augmente, la sollicitation du moteur est plus importante.
La puissance dépend donc de la puissance de l’alternateur et de la puissance du moteur. Le dimensionnement du moteur étant toujours calculé en proportion de la puissance de l’alternateur, c’est la puissance de l’alternateur qui définit le groupe électrogène.
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 (car déjà surclassé), et celle-ci se majore de 10% pour les groupes de production (PRP = puissance en régime permanent).
- Un en puissance apparente (ou en intensité). Le disjoncteur limite la puissance apparente de l’alternateur. Cela interdit tout dépassement sur une longue période, mais permet des surcharges temporaires.
C’est une gymnastique qui peut sembler complexe, mais la plupart du temps les deux puissances s’indiquent 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.
Le disjoncteur : protecteur de l’alternateur
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 risque aucune surcharge de façon durable.
Les groupes de puissance >10KVA sont normativement définis à Cos phi 0,8. Cela 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 électrogènes s’indique normalement en KW, avec indication de la puissance apparente possible ou du courant permanent maximal. 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 ».
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 s’expriment suivant la décomposition en composantes symétriques: directes, inverses et homopolaires.
Les réactances
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 la rectance longitudinale :
- subtransitoire directe X’’d (0,01 à 0,1s). Le courant de court-circuit (valeur efficace de la composante alternative) est supérieur : 5 à 10 fois le courant nominal permanent.
- transitoire directe X’d (entre 0,1 et 1s). Le courant de court-circuit décroit jusqu’à atteindre entre 2 et 6 fois le courant nominal.
- synchrone directe Xs (permanente). Le courant de court-circuit tombe entre 0,5 et 2 fois le courant nominal.
- la réactance homopolaire Xo
De plus l’impédance homopolaire des alternateurs est en général 2 à 3 fois plus faible que leur impédance directe. Le courant de court-circuit phase terre sera alors supérieur au courant triphasé.
A titre de comparaison, le court-circuit triphasé permanent aux bornes d’un transformateur s’échelonne de 6 à 20 fois le courant nominal suivant la puissance.
On peut donc conclure que les court-circuits aux bornes des générateurs sont difficiles à caractériser, mais surtout que c’est leur valeur faible et décroissante qui rend délicat le réglage des protections.
Réactance transitoire
De façon pratique on peut calculer rapidement l’Icc3 d’un alternateur en connaissant sa réactance transitoire X’d (le fabricant communique les valeurs), par la relation :
Icc3 = 1,1 (In/ X’d)
On met volontairement de côté la valeur de la réactance subtransitoire. En effet, comme le montre le diagramme précédent, le temps est très court (2 à 3 alternances seulement). De plus, il est impossible à traiter par les protections habituelles.
En règle générale, et en absence de données techniques communiquées, on prend pour des GE de P ≥ 100KVA, un X’d de l’ordre de 25 à 30%.
Prenons par exemple un alternateur de 400KVA. Sachant que S=√3.Un.In, on obtient In = 577A sous Un = 400Vac, soit un Icc3 de 1,1x(577/0,25) = 2539A
Conclusion
Nous avons vu au cours de cet article, qu’il existe plusieurs types de groupes électrogènes sur le segment des énergies dites de remplacement, selon que les besoins soient d’ordre domestiques ou industriels.
Nous avons vu également que le choix de l’alternateur ou génératrice était important à considérer. Cela, du fait de la présence de certains récepteurs ayant des courants de démarrage ou des facteurs de crête élevés. L’intégration d’un groupe électrogène sur un réseau existant doit indéniablement passer par l’instruction d’une note de calcul. Cela permet de vérifier et de valider l’ensemble des protections présentes sur le réseau de distribution. Comme expliqué précédemment, les courants de court-circuits présents à différents niveaux de l’installation ou du réseau seront bien plus faibles que lorsque seule la source normale (EDF) alimente les récepteurs.