Circuits électriques

Lors de la préparation de cette quatrième édition du livre Électrotechnique, les auteurs ont ajouté plusieurs sujets traitant des technologies qui ont un impact dans le domaine des courants forts. Les sept paragraphes suivants décrivent les principaux ajouts. 1. Les sections 29.10 à 29.13 du chapitre 29 présentent les principes fondamentaux du dimensionnement des machines électriques. On y démontre que le couple mécanique est un facteur déterminant dans la taille des machines tournantes. De plus, on constate que le rendement, le coût par kilowatt, et plusieurs autres paramètres favorisent la construction de machines et transformateurs de grande puissance. 2. Le chapitre 31, sections 31.16 à 31.18, explique les propriétés et les avantages des transformateurs à haute fréquence, soit ceux fonctionnant entre 400 Hz et 100 kHz. Ces transformateurs sont utilisés dans une foule de dispositifs électroniques, comme les blocs d'alimentation à découpage électronique qui transforment la tension continue en tension alternative et vice versa. 3. Dans le chapitre 34, sections 34.19 à 34.22, on explique les propriétés et le comportement de la machine asynchrone à double alimentation. L'utilisation d'une fréquence fixe au stator et d'une fréquence variable au rotor permet de faire varier la vitesse de cette machine lorsqu'elle fonctionne en moteur ou en générateur. Ces machines sont utilisées depuis longtemps comme moteurs pour entraîner les pompes de grande puissance. Plus récemment, on leur a trouvé une nouvelle application comme génératrices à vitesse variable, entraînées par des éoliennes de quelques mégawatts. L'importance de cette technologie dans la production éolienne justifiait une description de ces génératrices spéciales. 4. Le chapitre 40, sections 40.37 à 40.41, démontre l'impact énorme de l'introduction des automates programmables industriels (API) sur la modernisation de l'industrie. Dans ces sections, on présente justement un cas vécu, permettant de comprendre comment le passage aux API s'est effectué dans une entrprise, ainsi que les impacts tant au niveau technique qu'au niveau sociologique. 5. Le chapitre 42, sections 42.61 à 42.69, explique, de façon simple, le comportement et l'utilité du convertisseur électronique à trois niveaux ("three-level converter"). Ce nouveau type de convertisseur permet de générer une tension alternative variable à partir d'une source à courant continu fixe, tout en réduisant les distorsions harmoniques. Pour les grandes puissances, les convertisseurs à trois niveaux remplacent graduellement les convertisseurs classiques à deux niveaux. 6. Dans le chapitre 45, sections 45.30 à 45.37, on présente les propriétés du vent et l'utilisation des éoliennes pour en extraire l'énergie. On y explique les différentes technologies de génération d'électricité, tout en faisant ressortir les mérites de chacune d'entre elles. 7. Le chapitre 45, sections 45.38 à 45.41, traite de la production décentralisée. On regroupe sous ce nom l'ensemble des sources de production d'énergie électrique de petite puissance près des centres de consommation. La production décentralisée s'est développée récemment, surtout grâce aux turbines à gaz associées à la cogénération. La cogénération permet, grâce à un échangeur de chaleur, d'extraire de l'énergie thermique des gaz d'échappement très chauds rejetés par la turbine entraînant la génératrice. L'augment-ation du rendement global qui en résulte rend la cogénération attrayante pour les promoteurs privés qui peuvent vendre leurs excédents d'énergie électrique à la compagnie d'élec-tricité locale. Au cours des dernières années, les méthodes de conversion de l'énergie électrique ont progressé de façon importante. Ainsi, il est étonnant de réaliser à quel point l'électronique de puissance a envahi tous les domaines de l'électro-technique. Ce constat nous indique qu'on ne peut plus étudier isolément les machines à courant continu et à courant alternatif sans, par la même occasion, s'intéresser aux systèmes d'entraînement électronique de ces machines. Comment expliquer ces changements importants ? On les attribue principalement à la disponibilité de commutateurs électroniques plus puissants comme les IGBT («Insulated Gate Bipolar Transistors»), pouvant fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 20 kHz. Ces changements sont aussi dus à l'utilisation des thyristors et des GTO («Gate Turn-Off thyristor») pouvant porter des courants de plusieurs milliers d'ampères sous des tensions de 5 kV. Enfin, ces changements s'expliquent aussi par la puissance des ordinateurs et des microprocesseurs qui exécutent des calculs en temps réel à des vitesses prodigieuses. La plupart des entraînements industriels couvrent la gamme des puissances allant de 1 kW à 500 kW qui correspond précisément à celle où la commande par IGBT est disponible. Ceci a provoqué une véritable explosion dans le remplacement des systèmes d'entraînement existants. Ces nouveaux systèmes à base d'électronique de puissance ont en effet des coûts d'entretien réduits, des rendements supérieurs et une productivité accrue. Par ailleurs, les systèmes d'entraînement à courant continu sont graduellement remplacés par des commandes de moteurs asynchrones qui offrent une réponse dynamique toute aussi performante. Tous les secteurs, tant industriels que commerciaux, sont touchés par cette révolution technologique. Grues, ascenseurs, locomotives, ventilateurs, pompes, compresseurs, lignes de production, etc., seront donc progressivement transformés. Ce n'est pas tout. L'électronique de puissance commence à avoir un impact dans un secteur relativement stable depuis plus de 50 ans, soit le transport et la distribution de l'énergie électrique. Ainsi, dans ce secteur, les grosses machines rotatives comme les condensateurs synchrones et les convertisseurs de fréquence sont remplacées par des convertisseurs statiques qui ne contiennent aucune pièce mobile. Ces nouvelles technologies ont permis la conception de nouveaux appareils tels que les convertisseurs statiques de grande puissance, les condensateurs à commande par thyristors et les convertisseurs pouvant remplacer les transformateurs à déphasage variable. Ces nouveaux appareils, regroupés sous la rubrique FACTS («Flexible AC Transmission Systems»), permettront aux lignes de transport et de distribution de porter des puissances accrues. De plus, à cause de leur réponse extrêmement rapide, ces convertisseurs peuvent stabiliser un réseau menacé par une perturbation intempestive. Le lecteur découvrira que, bien que ces innovations touchent un vaste champ de connaissances, le fait qu'elles reposent toutes sur une base commune, lui permettra d'apprécier la cohérence de l'électrotechnique. Par exemple, le lecteur découvrira que les technologies et les équations propres aux machines synchrones sont similaires à celles régissant le transport de puissance active et réactive sur une ligne de transport ou à travers un convertisseur électronique. Il s'ensuit que les connaissances acquises dans un secteur sont renforcées et élargies lorsque le lecteur les rencontre de nouveau dans un autre domaine. Cela lui permet de découvrir un sujet d'étude fascinant offrant un défi intellectuel enrichissant. Le lecteur constatera aussi que, malgré les profonds changements qui touchent l'électrotechnique, cette science continue à s'appuyer sur les grands principes découverts au siècle dernier. En résumé, ce livre utilise à la fois une approche théorique, pratique et multidisciplinaire afin de donner une connaissance globale de l'industrie électrique moderne.