TP 1 : Puissances active et réactive

6GEI700
Automne 2013
6GEI700 : Transport et Exploitation d’Énergie Électrique
TP 1 : Puissances active et réactive
But
1. Pour interpréter la signification d’une puissance positive, négative, réactive et active.
2. Pour observer l’écoulement d’une puissance active et réactive dans un circuit triphasé.
Discussion
Dans les circuits en courant continu, la puissance active (en Watts) délivrée à la charge est toujours
égale au produit de la tension et du courant. Cependant, dans les circuits à courant alternatif, ce
produit est généralement plus élevé que la puissance réelle (ou active) que la charge consomme.
Pour cette raison, les wattmètres sont utilisés pour mesurer la puissance active (en watts).
Dans un circuit triphasé à trois fils, deux wattmètres sont utilisés pour déterminer la puissance active
tandis que dans un circuit triphasé à quatre fils (3 phases et un neutre), trois wattmètres sont
nécessaires. Ces appareils de mesures peuvent être combinés en un seul wattmètre de conception
spéciale, qui simplifie grandement le problème de lecture (plus besoin d’ajouter les valeurs de deux ou
trois wattmètres pour obtenir la puissance active totale). Un wattmètre triphasé typique (Fig. 1-1)
possède trois entrées (1, 2, 3) et trois sorties (4, 5, 6).
1
W
4
2
5
3
6
Fig. 1-1 : Wattmètre triphasé.
Si le wattmètre est connecté dans un circuit triphasé comme indiqué à la Fig. 3-1, il indiquera la
puissance réelle totale s’écoulant dans la ligne. Si la puissance s’écoule de l’entrée (1, 2, 3) vers la
sortie (4, 5, 6), c’est à dire de la gauche vers la droite (Fig. 1-1) l’aiguille du wattmètre déviera vers la
droite et la lecture sera positive.
Cependant, si la puissance s’écoule de la droite vers la gauche, c’est à dire de la sortie vers l’entrée,
l’aiguille du wattmètre déviera vers la gauche et la lecture sera négative.
La puissance réelle est alors positive ou négative dépendamment de la direction d’écoulement. La
direction d’écoulement de la puissance peut être facilement déterminée lorsque les bornes d’entrée
ont été identifiées.
La puissance réactive est la puissance associée à la charge et décharge de condensateurs ainsi que
la diminution et l’augmentation de champs magnétiques de circuits inductifs, faisant partis d’un circuit
en courant alternatif. En effet, l’énergie (en Joules) dans les circuits inductifs augmente et décroît en
réponse au courant alternatif qui le traverse, il s’en suit qu’il n’y a pas d’écoulement de puissance
réelle dans le circuit inductif. En d’autres termes, le courant circuile à travers la bobine et une tension
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apparaît à ses bornes, ainsi n’importe quel observateur est apte à croire qu’une certaine puissance y
est impliquée. Le produit de la tension et du courant dans un bobinage est appelé puissance réactive,
et est exprimée en var ou kilovar (kvar). La puissance réactive est nécessaire pour produire en
alternatif un champ magnétique.
Dans la même direction, le champ électrique alternatif dans une capacité, requiert aussi une
puissance réactive. En raison de la prédominance accablante des équipements électromagnétiques
(par opposition aux équipements électrostatiques), nous considérons que la puissance réactive, à
chaque fois qu’il apparaît, est une sorte de puissance qui a la possibilité de produire un champ
magnétique.
La puissance réactive, tout comme la puissance active, peut être mesurée avec des appareils de
mesures appropriés appelé varmètres. Dans un circuit triphasé, les deux ou trois varmètres qui
devraient ordinairement être utilisés peuvent être combinés en un seul instrument pour donner une
seule lecture de la puissance réactive totale s’écoulant dans le circuit. Un tel instrument, présenté à la
Fig. 1-2, possède trois bornes d’entrées (1, 2, 3) et trois bornes de sorties (4, 5, 6).
1
4
var
2
5
3
6
Fig. 1-2 : varmètre triphasé.
Lorsque la puissance réactive s’écoule des bornes d’entrées aux bornes de sorties, l’appareil donnera
une lecture positive. Inversement, si l’écoulement de la puissance réactive a lieu des bornes de
sorties vers les bornes d’entrées, une lecture négative en résultera, qui peut être seulement visible par
l’inversion d’un contact appropriée. Par exemple, si une source triphasée et une bobine triphasée sont
connectées comme indiqué à la Fig. 1-3, l’écoulement de la puissance réactive est évidemment de la
gauche vers la droite, et le varmètre indiquera une lecture positive. Tout comme avec le wattmètre, la
direction d’écoulement de la puissance réactive peut être déterminée lorsque les bornes d’entrées du
varmètre sont identifiées.
XL
1
Source
triphasée
var
4
2
5
3
6
Charge
inductive
triphasée
Fig. 1-3
Les circuits triphasés alternatifs peuvent contenir plusieurs types de composants et appareils, mais
l’écoulement de puissance active ou réactive peut toujours être déterminé en introduisant des
wattmètres et varmètres. L’exemple de la Fig. 1-4 illustrera comment certaines lectures typiques
peuvent être interprétées. Une impédance Z forme une partie d’un large circuit (non représenté), et
des wattmètres W1, W2 et varmètres var1, var2 sont connectés à chaque côté. Les bornes d’entrées
sont supposées être à gauche de chaque instrument. Les appareils indiquent les lectures suivantes :
W1 = + 70 W
var1 = - 60 var
W2 = - 40 W
Var2 = - 80 var
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W1
var1
W2
var2
Z
Fig. 1-4.
Comment pouvons-nous interpréter ces résultats? Premièrement, nous devons reconnaître que les
puissances actives et réactives s’écoulent indépendamment l’un de l’autre. L’un n’affecte pas l’autre.
Par conséquent, nous ne devons jamais additionner ou soustraire une puissance active et une
puissance réactive.
Considérons premièrement la puissance active. Étant donné que W1 est positif, la puissance active
s’écoule donc vers la droite. Étant donné que W2 est négatif, la puissance active s’écoule donc vers la
gauche. Il s’en suit donc que l’impédance Z doit absorber 70 + 40 = 110 watts.
Ensuite, regardons la puissance réactive ; 80 var s’écoulent vers la gauche, à travers l’impédance Z,
tandis que 60 var s’écoulent vers la droite, mais pas à travers l’impédance Z. Il s’en suit que
l’impédance Z absorbe (80 – 60) = 20 var, et cette puissance crée un champ magnétique.
Cet exemple montre que lorsque les wattmètres et varmètres sont connectés de chaque côté d’un
circuit électrique ou équipement, nous pouvons déterminer les puissances active et réactive qu’il
produit ou consomme.
INSTRUMENTS ET COMPOSANTS
Module de source de puissance (120/208 V 3φ, 0-120/208 V 3φ)
Module resistance
Module inductance
Module de capacité
Module de mesure AC (2,5/2,5/2,5 A)
Module de mesure AC (250 V)
Module du Watt-Varmètre triphasé (300 W - 300 var)
Fils de raccordement
Module du moteur à induction de rotor à enroulement (optionnel)
Module du moteur à induction à cage d’écureuil (optionnel)
EMS 8821
EMS 8311
EMS 8321
EMS 8331
EMS 8425
EMS 8426
EMS 8446
EMS 9128
EMS 8231
EMS 8221
EXPÉRIENCES
Attention : La haute Tension est utilisées dans cette expérience de laboratoire ! Ne pas
effectuer des connexions sous tension !
Les expériences suivantes impliquent l’utilisation d’une source triphasée, trois voltmètres, trois
ampèremètres, un watt-varmètre triphasé et une charge triphasée équilibrée connectée en étoile. La
source est prise aux bornes 4, 5, 6 de la source de puissance, et ajustée pour obtenir une tension de
l’ordre de 208 volts.
‰ 1-1) En utilisant une charge de trois résistances de 300 Ω connectées en étoile comme indiqué à la
Fig. 1-5, mesurer E, I, W, var et compléter le Tableau 1-1.
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0 – 250 V
E
0 – 2,5 A
300 Ω
0 – 208 V 3φ
I1
4
1
5
2
6
3
4
W
var
I2
5
6
I3
EMS 8446
Fig. 1-5.
‰
EMS 8311
1-2) Remplacer la charge résistive par trois inductances ayant une réactance de 300 Ω,
connectées en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau 1-1.
Note : les fils venant de la source doivent être reliés aux bornes 1, 2, 3 du watt-varmètre dans
l’ordre de séquence des phases. Si la séquence des phases de la source de puissance est 1-2-3,
le varmètre donnera la correcte lecture si les bornes 1, 2, 3 de la source de puissance sont
connectés aux bornes 1, 2, 3 de l’instrument de mesure.
Dans cette expérience, la lecture du varmètre devrait être positive. Si la lecture est négative, la
séquence des phases est incorrecte et deux des fils provenant de la source devraient être interchangées.
‰
‰
‰
‰
‰
1-3) Répéter les expériences 1-2, en utilisant trois capacités ayant une réactance de 300 Ω
chacune, connectés en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau 1-1.
1-4) Répéter les expériences 1-2, mais ajouter trois résistances de 300 Ω (connectées en étoile) en
parallèle avec les capacités de charge en utilisant trois capacités ayant une réactance de 300 Ω
chacune, connectés en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau 1-1. La puissance active
est-elle
affectée
lorsque
la
charge
capacitive
est
connectée
ou
déconnectée ?………………………………………………………………….
1-5) Répéter l’expérience 1-1, mais ajouter les inductances de charges de l’expérience 1-2 en
parallèle avec les résistances de charge. Relever les valeurs et compléter le Tableau 1-1. Pourquoi
la puissance active est légèrement affectée lorsque la charge inductive est connectée ou
déconnectée ?………………………………………………………………….
La puissance active est-elle affectée lorsque la charge résistive est connectée ou
déconnectée ?…………………………………………………………………………………
1-6) Répéter l’expérience 1-1, mais utiliser des inductances de charges (ayant chacune une
réactance de 300 Ω) en parallèle avec les capacités de charge (ayant chacune une réactance de
300 Ω), toute connectées en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau 1-1. Convenezvous qu’à toutes fins pratiques, les capacités génèrent la majorité de la puissance réactive requise
par les inductances ?………………………………………
Convenez-vous qu’à toutes fins pratiques, les capacités puissent être considérées comme source
de puissance réactive?…………………………………………………………………
1-7) Sachant que la puissance apparente en Volt-ampère (VA) est donnée par l’expression
suivante :
VA = W 2 + var 2
Calculer la puissance apparente VA dans le tableau 1-1.
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‰
1-8) Sachant que la puissance apparente d’un circuit triphasé équilibré est donné par l’équation :
VA = EI √3, calculer cette puissance et comparer avec les valeurs obtenues expérimentalement
en 1-7.
Expérience
No.
Charge
1-1
R
1-2
XL
E (V)
I (A)
W
var
VA
E I √3
XC
1-3
R
1-4
XC
R
1-5
XL
XC
1-6
XL
Tableau 1-1.
QUESTIONS ET PROBLÈMES
1. Une charge électrique Z est connectée aux bornes d’une source alternative de 120 volts. Indiquer la
direction de l’écoulement de puissance active et réactive si Z est composée de a) une résistance, b)
une inductance, c) une capacitance, d) une résistance et une inductance, e) une résistance et une
capacitance, f) un moteur monophasé. Voir Fig. 1-6.
Source
S
Charge
Z
120 V AC
Fig. 1-6.
2. Calculer les puissances active et réactive qui est délivrée par une source monophasée dans les
deux circuits monophasés présentés à la Fig. 1-7.
S
XL = 30Ω
120 V AC
40Ω
R = 40Ω
S
90Ω
60Ω
120 V AC
(b)
(a)
Fig. 1-7.
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………………………………………………………………………………………………………….
3. Une source triphasée ayant une tension ligne-ligne de 69 kV alimente une charge résistive
ayant une impédance de 100 Ω par phase et connectée en étoile. Calculer la puissance active
délivrée.
…………………………………………………………………………………………………………..
4. Expliquer ce qui est signifié par le fait qu'un inducteur absorbe de la puissance réactive tandis
qu'un condensateur fournit de la puissance réactive.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
5. Une ligne triphasée, schématiquement représenté à la Fig. 1-8, délivre une puissance active et
réactive comme indiqué dans le Tableau 1-2. Calculer la puissance active et réactive absorbée
par la ligne.
Ligne
kW1
Source
S
kW2
Récepteur
kvar2
kvar1
Écoulement de
puissance positive
Écoulement de
puissance positive
Fig. 1-8.
KW1
kvar1
kW2
kvar2
+100
+10
+95
+5
+100
+10
+95
-10
+100
-10
+95
-25
-100
+10
-105
+5
Tableau 1-2.
Ligne
kW
Ligne
kvar
6. Une ligne triphasée opérant à une tension ligne-ligne E alimente une charge connectée en
étoile dont l’impédance est Z ohms par phase. Montrer que la puissance totale apparente S est
donnée par l’équation S = E2/Z.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………
Référence :
Wildi, Théodore, 1992- +Lab-Volt (Québec) Ltée, Electric Power Transmission system Edition : Ste—
Foy : Lab-Volt, 1991. Localisation : (1 document) Collection générale : 1. X01473551 TK3226W673.
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