Systèmes de groupes électrogènes d'urgence : construction, installation, maintenance et câblage pour une alimentation fiable

En régime continu, la puissance de sortie est disponible sans variation de charge pour une durée illimitée. La puissance moyenne de sortie est de 70 à 100 % de la puissance nominale continue. La demande de pointe typique est de 100 % des kWé de puissance nominale continue pendant 100 % des heures de fonctionnement.

Selon les définitions ci-dessus, il est facile de comprendre que le même groupe électrogène a des puissances nominales différentes pour chaque régime de fonctionnement. La puissance nominale en régime secours est supérieure à la puissance nominale en régime principal, qui est supérieure à la puissance nominale en régime continu.

La puissance nominale des groupes électrogènes peut être définie en kVA ou kW pour un cos Φ (facteur de puissance)^[6] = 0,8. Il est également nécessaire de définir la fréquence du réseau (50 Hz ou 60 Hz).

Le Tableau 1 présente, à titre d'exemple, les valeurs de puissance nominale (kVA) de certains groupes électrogènes du même fabricant et de la même série de fabrication, selon le régime de fonctionnement (f = 50 Hz).

Tableau 1 – Exemples de puissances nominales de groupes électrogènes d'urgence selon le régime de fonctionnement

Comme le réseau BT que le groupe électrogène alimentera électriquement est isolé et présente des charges déséquilibrées, le point neutre des enroulements de l'alternateur^[7] est directement mis à la terre, car ce système de mise à la terre du neutre améliore le comportement de l'alternateur avec ce type de charges.

Construction et composants des groupes électrogènes d'urgence

Considérations générales

Les principaux composants d'un groupe électrogène sont (voir Figure 1) :

• Moteur
• Alternateur
• Châssis principal / Bâti.
• Batterie de démarrage et chargeur.
• Système de lubrification.
• Systèmes de refroidissement et d'échappement, y compris le radiateur.
• Système de carburant.
• Régulateur de tension
• Tuyauterie d'échappement et silencieux.
• Panneau de commande et de surveillance.

Figure 1 – Principaux composants d'un groupe électrogène

Moteur

Le moteur, qui doit être conforme à la norme ISO 3046, est une machine à combustion interne, à cycle quatre temps et généralement alimentée au diesel (il existe également des modèles au gaz). La puissance du moteur doit être adaptée à la puissance nominale de l'alternateur.

Les principaux composants du moteur sont :

• Régulateur de vitesse électronique, généralement avec une variation de ± 0,25
• Commande d'accélération et levier de marche/arrêt
• Bague en acier standard pour assurer une connexion rigide au système d'accouplement de l'enceinte de l'alternateur
• Volant d'inertie et accouplement élastique pour l'accouplement de l'alternateur

Le moteur doit démarrer et fonctionner pendant au moins 8 heures à pleine charge, suivi de 1 heure de surcharge à 10 % sous les conditions de température spécifiées. Le moteur doit avoir un démarrage électrique, dont le temps ne doit pas être supérieur à 10 s.

Le refroidissement du moteur peut être assuré par circulation d'air ou d'eau, en circuit fermé avec un radiateur. Pour améliorer le démarrage du moteur, il faut prévoir un système de préchauffage de l'huile, de l'eau ou de l'air de combustion (généralement des résistances), qui doit fonctionner avec l'augmentation de température de la graisse du carter.

Alternateur

L'alternateur est de type synchrone, monophasé ou triphasé, auto-excité, régulé et ventilé ; la ventilation de l'alternateur doit être réalisée par une turbine coaxiale à l'arbre.

Les principales caractéristiques des alternateurs sont :

• Tension nominale : 230 V (alternateurs monophasés) ; 400/230 V (alternateurs triphasés).
• Fréquence nominale : 50 Hz ou 60 Hz.
• Puissance nominale (selon le régime de fonctionnement – voir Section 2).
• Facteur de puissance : généralement 0,8.
• Classe d'isolation : généralement H.

La classe d'isolation des alternateurs est établie, selon la norme IEC 60085, en tenant compte de la température maximale que les enroulements peuvent supporter, car la température est souvent le facteur principal qui contribue au vieillissement des matériaux isolants. Le Tableau 2 présente les classes d'isolation des alternateurs.

Tableau 2 – Classes d'isolation des alternateurs

D'autres caractéristiques des alternateurs qui doivent être prises en compte sont :

• Suppression des interférences radio.
• Distorsion harmonique : ≤ 2 % à vide ; ≤ 3,5 % avec charge équilibrée.
• Régulation de tension : ±1,5 % pour variations de vide à pleine charge, facteur de puissance entre 0,8 et 1 et variations de vitesse de ± 4,5 %.
• Capacité à récupérer la tension jusqu'à 3 % de la tension nominale en 3 s, lorsque la pleine charge est appliquée brutalement avec cos Φ = 0,8.
• Capacité à supporter des courants de court-circuit jusqu'à 300 % du courant nominal pendant 5 s avant l'actionnement des dispositifs de protection internes.

Autres composants et systèmes

Le châssis d'assemblage du moteur et de l'alternateur (et même du réservoir journalier de diesel) est généralement construit avec des profils en acier standard, soudés électriquement, et des supports antivibratoires doivent être installés ; ces profils doivent être calculés de manière que l'oscillation verticale propre soit d'environ 7 Hz.

La batterie de démarrage est de type plomb-acide et connectée à un chargeur de batterie qui assure la charge de maintien de la batterie et est normalement installé dans le panneau de commande et de surveillance.

La tuyauterie d'échappement doit inclure un silencieux (voir Figure 2) et une connexion flexible depuis la sortie d'échappement du moteur vers le tuyau de sortie. Le silencieux et la tuyauterie doivent être isolés thermiquement avec de la laine de verre recouverte de feuille d'aluminium.

Figure 2 – Tuyauterie d'échappement d'un groupe électrogène

Le système de carburant comprend le réservoir journalier (avec indicateur de niveau et contacteurs de niveau maximum et minimum) et doit avoir une capacité telle qu'elle assure le fonctionnement du groupe électrogène pendant une période définie, à pleine charge nominale pour le régime de fonctionnement établi.

Ce système peut également inclure une éventuelle citerne de diesel, pompes de transfert du réservoir journalier (manuelles et électriques) et la tuyauterie requise.

Panneau de commande et de surveillance

Dans le panneau de commande et de surveillance, les équipements suivants doivent être installés :

• Appareils de mesure (ampèremètres ; voltmètres ; fréquencemètre).
• Équipements de commande et de surveillance : boutons-poussoirs marche/arrêt ; mano-huile ; thermomètre d'eau.
• Commutateur de commande à 4 positions : Automatique/Manuel/Test/Hors service.
• Système automatique de démarrage et d'arrêt du groupe électrogène.
• Disjoncteur pour la protection de l'alternateur.
• Voyants de surveillance.
• Arrêt d'urgence du moteur.
• Chargeur de batterie (voir Section 3.4).
• Équipements de commande et de surveillance pour tous les composants auxiliaires du groupe électrogène.

Procédures d'installation des groupes électrogènes d'urgence

Les groupes électrogènes sont généralement installés à l'intérieur, dans un local dédié, qui doit être pourvu de grilles d'entrée et de sortie d'air, calculées pour assurer le débit d'air requis pour le refroidissement des équipements.

La grille de sortie d'air est installée face au radiateur et doit permettre un démontage facile pour le retrait du groupe électrogène. Dans les situations où il n'est pas possible d'assurer le débit d'air requis pour le refroidissement des groupes électrogènes, il est nécessaire d'installer un radiateur séparé du moteur.

Dans ces cas, le refroidissement du groupe électrogène est réalisé par circulation d'eau douce en circuit fermé, utilisant une pompe centrifuge. La température est contrôlée thermostatiquement et la dissipation de chaleur est obtenue par un radiateur, installé sur le circuit primaire, et un ventilateur. Le radiateur doit avoir un faible niveau sonore et doit être monté sur des supports antivibratoires.

La Figure 3 donne un exemple de ce qui a été expliqué ci-dessus.

Figure 3 – Schéma d'installation d'un groupe électrogène avec radiateur séparé

Si le niveau sonore du groupe électrogène est trop élevé selon la réglementation sur le bruit, notamment dans les circonstances où l'équipement est installé à l'extérieur, le groupe électrogène doit être installé dans une enceinte insonorisante, comme le montre la Figure 4.

Figure 4 – Groupe électrogène dans une enceinte

Maintenance des groupes électrogènes d'urgence

Comme mentionné à la Section 1, les groupes électrogènes jouent un rôle critique dans la sécurité des personnes et des biens de certaines installations électriques et il est donc important d'établir un programme de maintenance précis qui doit inclure :

• Faire tourner mensuellement, ou deux fois par mois, à vide pendant une période de 4 heures (pour s'assurer qu'il démarrera quand nécessaire).
• Démarrage manuel.
• Démarrage du groupe électrogène en cas d'absence de tension réseau et vérification du fonctionnement du commutateur inverseur automatique.
• Inspection visuelle.
• Vérification de la connexion de mise à la terre du neutre et de toutes les parties métalliques.
• Vérification du niveau d'huile et
• État de la batterie (inspection visuelle ; mesure de tension des éléments ; état de l'électrolyte).

Démarrage du générateur. Système de transfert automatique

Le démarrage du groupe électrogène doit être automatique, en cas de sous-tension ou de tension de séquence négative dans le réseau d'alimentation et il est réalisé par un système d'automatisme installé dans le panneau de commande et de surveillance du groupe électrogène. Ce système d'automatisme assurera également la déconnexion et l'arrêt du groupe électrogène lorsque la tension du réseau revient à la normale.

Le système d'automatisme susmentionné contrôlera le système de transfert automatique, ci-après dénommé commutateur inverseur automatique, et doit assurer un nombre de tentatives de démarrage consécutives (jamais moins de 3) avec un temps entre tentatives qui est le temps requis pour la régénération de la batterie.

Le commutateur inverseur automatique, qui de préférence sera installé dans le tableau général d'arrivée, doit assurer le transfert des charges essentielles vers l'alimentation du groupe électrogène lorsqu'une perturbation de la tension réseau se produit et assurer le re-transfert de ces charges vers l'alimentation réseau lorsque la situation revient à la normale.

Le commutateur inverseur automatique peut être constitué de 2 des équipements suivants :

• Disjoncteurs.
• Interrupteurs sous charge.
• Contacteurs.

Ces équipements doivent avoir un verrouillage mécanique et électrique pour éviter la mise en parallèle entre le réseau et le groupe électrogène.

Tous les tableaux doivent avoir des dispositifs de sectionnement (disjoncteur ; interrupteur sous charge ; contacteur) pour séparer les charges entre essentielles et non essentielles, afin d'éviter que ces charges ne soient alimentées par le groupe électrogène.

La Figure 5 montre un exemple de schéma électrique d'un système de transfert.

Figure 5 – Schéma électrique du système de transfert

Câblage et connexion d'un groupe électrogène portable

Vous pouvez câbler et connecter un groupe électrogène portable au système d'alimentation domestique selon trois méthodes ci-dessous.

^[1] HT : U_s ≥ 60 kV ; MT : 1 kV < U_s ≤ 49,5 kV ; BT : U_s ≤ 1 kV. U_s est la tension nominale du réseau.

^[2] IEC : Commission électrotechnique internationale.

^[3] Désormais, nous utiliserons l'expression groupes électrogènes pour désigner les groupes électrogènes diesel d'urgence BT.

^[4] ISO : Organisation internationale de normalisation.

^[5] kWé : Puissance active électrique.

^[6] cos Φ : facteur de puissance.

^[7] Voir Section 3.3.

À propos de l'auteur : Manuel Bolotinha