Groupe électrogène et couplage au réseau

Fréquence, tension : deux régulateurs

Un groupe électrogène, c'est un moteur thermique qui entraîne un alternateur synchrone (chapitre 2). Deux grandeurs à tenir, deux régulateurs :

• La fréquence dépend de la vitesse : f = p × n / 60, avec p le nombre de paires de pôles. Un alternateur 4 pôles doit tourner à 1 500 tr/min pour donner 50 Hz. C'est le régulateur de vitesse du moteur thermique qui la tient, en dosant le carburant.
• La tension dépend de l'excitation (chapitre 2). C'est le régulateur de tension, souvent appelé AVR, qui la tient, en dosant le courant d'excitation.

Quand la charge augmente brusquement, le moteur ralentit un instant : la fréquence baisse, puis le régulateur de vitesse rattrape. La tension fait de même, puis l'AVR corrige. Un bon groupe reprend sa fréquence et sa tension en quelques secondes.

• Beaucoup de groupes laissent volontairement la fréquence baisser un peu avec la charge, de quelques pour cent : c'est le statisme, qui permet à plusieurs groupes en parallèle de se partager la charge.
• Les petits groupes « inverter » redressent puis ondulent leur courant : la fréquence ne dépend plus de la vitesse du moteur, qui peut ralentir à faible charge.

La puissance d'un groupe : kVA et kW

Un groupe affiche deux puissances, par exemple 20 kVA / 16 kW.

• Les kW sont limités par le moteur thermique : c'est lui qui fournit la puissance active ;
• les kVA sont limités par l'alternateur : son échauffement dépend du courant, donc de la puissance apparente.

Le rapport 16 / 20 = 0,8 est le cos φ de référence des groupes : avec des récepteurs à cos φ plus faible, c'est la limite en kVA qui est atteinte la première (voir l'Aller plus loin de la puissance en monophasé : méthode de Boucherot).

Secours ou continu ?

Les fiches techniques distinguent souvent une puissance de secoursDésignations courantes : ESP (secours) et PRP (puissance principale, en service continu à charge variable). Les définitions exactes sont données par la norme et le fabricant., utilisable quelques heures en cas de coupure, et une puissance principale, plus faible, pour fonctionner en continu. Un groupe qui alimente un site isolé tous les jours se choisit sur la seconde.

• Déclassement : chaleur et altitude réduisent la puissance du moteur thermique, qui respire un air moins dense.
• À l'inverse, un diesel qui tourne longtemps à très faible charge s'encrasse : ne pas surdimensionner exagérément.

Démarrer un moteur sur un groupe

Un transformateur de distribution encaisse facilement l'appel de courant d'un moteur. Un groupe, beaucoup moins : il est bien plus petit, et son impédance est plus forte.

Exemple : un moteur de 5,5 kW, In ≈ 11 A sous 400 V, démarré en direct.

• Courant de démarrage : 7 × 11 ≈ 77 A ;
• puissance apparente appelée : √3 × 400 × 77 ≈ 53 kVA, pendant quelques secondes.

Sur un groupe de 20 kVA, la tension s'effondre, la fréquence plonge, les contacteurs peuvent retomber et le moteur ne démarre pas. Les solutions :

• un variateur : il démarre avec un courant proche de In (voir l'Aller plus loin des démarrages moteur) ;
• un démarreur progressif ou un étoile-triangle, si la machine démarre presque à vide ;
• démarrer les gros moteurs en premier, un par un, avant de charger le groupe avec le reste.

Charges électroniques et court-circuit sur groupe

Les charges électroniques (variateurs, chargeurs, onduleurs, éclairage LED) appellent un courant déformé (voir l'Aller plus loin de la puissance en monophasé). Sur le réseau, le transformateur, très puissant, garde une tension propre. Sur un groupe, beaucoup plus impédant, la même charge déforme nettement la tension. D'où :

• des alternateurs surdimensionnés quand la charge est surtout électronique ;
• des groupes « inverter » pour l'électronique sensible, dont la tension de sortie est reconstruite par un onduleur.

Les charges capacitives, comme un onduleur à vide ou des filtres, fournissent du réactif à l'alternateur : sa tension monte, et l'AVR, qui ne peut plus baisser l'excitation sous zéro, perd le contrôle.

Le court-circuit sur groupe

Un groupe ne débite en court-circuit que quelques fois son courant nominalSouvent autour de 3 In pendant quelques secondes, et seulement si l'alternateur dispose d'un système d'excitation qui le permet ; sinon, le courant retombe encore. Voir la fiche du groupe., contre 15 à 25 fois pour un transformateur (voir l'Aller plus loin des transformateurs).

• Un disjoncteur dont le magnétique est réglé pour le réseau peut ne pas déclencher sur un court-circuit alimenté par le groupe.
• Il faut donc vérifier les protections pour le fonctionnement sur groupe, et assurer la protection des personnes par des différentiels, avec un neutre relié à la terre (voir l'Aller plus loin des schémas de liaison à la terre).

Coupler un alternateur au réseau

Avant de fermer le disjoncteur de couplage, l'alternateur doit présenter quatre égalités avec le réseau :

1. la même tension ;
2. la même fréquence ;
3. la même phase, à l'instant du couplage ;
4. le même ordre des phases.

On le vérifie avec un synchronoscope, ou avec trois lampes entre les phases de même nom : elles battent lentement, s'éteignent ensemble quand les tensions coïncident, et c'est le moment de coupler. Aujourd'hui, un synchroniseur automatique s'en charge.

• Un couplage hors phase est un court-circuit : couple violent sur l'arbre, courant énorme.

Une fois couplé, le réseau commande

Couplé à un grand réseau, l'alternateur ne peut plus changer de fréquence : il tourne au synchronisme, quoi qu'il arrive.

• Plus de couple moteur : l'alternateur ne va pas plus vite, il prend une légère avance de phase et fournit davantage de puissance active.
• Plus d'excitation : la tension ne monte pas, imposée par le réseau ; l'alternateur fournit de la puissance réactive. Sous-excité, il en absorbe.

Une machine synchrone qui tourne à vide, surexcitée, ne fournit que du réactif : c'est le compensateur synchrone, une grosse « batterie de condensateurs » tournante.

L'alternateur de voiture en pratique

Débit et vitesse : l'alternateur tourne 2,5 à 3 fois plus vite que le moteur, grâce au rapport des poulies. Au ralenti, il ne donne qu'une partie de son courant maximal : un alternateur annoncé 110 A n'atteint ce chiffre qu'à régime soutenu.

Le bilan électrique : phares, ventilation, dégivrage, sièges chauffants, électronique... En hiver, embouteillage et ralenti, la consommation peut dépasser ce que l'alternateur fournit au ralenti : la batterie comble la différence, et se vide doucement.

Les pièges du dépannage

• Ne jamais débrancher la batterie moteur tournant. Privé de la batterie qui amortissait tout, l'alternateur produit une pointe de surtension, le « délestage de charge », qui peut détruire le régulateur et l'électronique du véhicule.
• Inversion de polarité en changeant la batterie ou en aidant un autre véhicule : les diodes de redressement et le régulateur y passent.
• Une ondulation anormale, lisible à l'oscilloscope ou en tension alternative au multimètre sur les bornes de la batterie, trahit une diode claquée.

Les alternateurs pilotés : sur les véhicules récents, le calculateur module la tension de charge selon l'état de la batterie et la conduite. Des tensions plus basses ou plus hautes que les 13,5 à 14,4 V du chapitre 1 ne signifient donc pas forcément une panne : se référer aux données du constructeur.