TP n°3 : ALTERNATEUR SYNCHRONE
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TP Machine Synchrone 1ère année - Option 2009- TP n°3 : ALTERNATEUR SYNCHRONE Selon la salle de TP, B01 ou B11, les machines, les appareils de mesure et les montages seront différents. En raison du nombre de machines disponibles la plupart des tables seront occupées par des trinômes. Le compte-rendu de ce TP contiendra les mesures et les caractéristiques utiles de la machine synchrone (résistance des bobinages, réactance synchrone, force électromotrice, pertes fer et mécaniques à 1500 tr/min, etc.) au travers d'essais "à vide", "en court-circuit", "rotor bloqué" ou "en charge". Objectifs Les machines tournantes électriques réalisent la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation et ce transfert de puissance est bidirectionnel pour chacune d'entre elles. Néanmoins la Machine Synchrone (M.S.) à excitation est la seule machine tournante capable de créer un réseau alternatif autonome. Ce TP vise à illustrer le fonctionnement de la machine synchrone dans cette fonction de génératrice indépendante. Présentation Le but de ce TP est de déterminer les caractéristiques d'une Machine Synchrone et son comportement en génératrice indépendante débitant sur une charge triphasée équilibrée. L'énergie mécanique nécessaire à la machine est généralement fournie par un moteur thermique, une roue à aubes, une hélice etc. dont on régule la vitesse de rotation afin de garantir la fréquence du réseau électrique. Dans le cadre de ce TP, la MS en génératrice sera entraînée par un moteur à courant continu MCC (Il ne faudra JAMAIS couper l'excitation (inducteur) de la MCC. On réglera la vitesse en modifiant la tension à l'induit de la MCC). La MCC sera alimentée par le réseau EDF via un autotransformateur (alternostat) triphasé dont la tension sera redressée par un pont redresseur à diodes PD3. 1.- Relevé de la plaque signalétique : A) Relever les caractéristiques de Pn, In, Un, Ωn et le n° de série de la machine étudiée. (In et Un sont les valeurs nominales, donc maximales en régime permanent). Préciser à quel type de couplage ces limitations s'appliquent. B) L'inducteur de la machine synchrone, aussi appelé "roue polaire", sert à magnétiser le rotor grâce à un courant continu. Relever les caractéristiques de l'inducteur de la machine synchrone (roue polaire). Il existe plusieurs possibilités pour créer ce courant continu. Pour les grosses machines en C02, on utilise parfois une génératrice de petite puissance (~100 W) pour générer le courant continu dans la roue polaire. Expliquer le principe de génération du courant d'excitation (cf cours ~p.10). Relever les caractéristiques de l'excitatrice le cas échéant. Selon la table choisie en C02, certains bancs ne proposent pas de Machine Synchrone. Dans ce cas, on utilisera les Machines Asynchrones à Rotor Bobiné (couplé en étoile) en utilisant 2 enroulements du rotor de la MAS comme roue polaire. C) Relever enfin les caractéristiques de la plaque signalétique du moteur MCC d'entraînement, tant de l'induit (rotor) que de l'inducteur (stator). Rappeler les lois fondamentales du comportement de la MCC et le modèle électrique simple d'une MCC utilisée en moteur à courant continu. Page 1 sur 7 TP Machine Synchrone 1ère année - Option 2009On veillera au cours des manipulations à rester dans la plage de fonctionnement nominale (courants, tensions) des machines Montage MCC : • En C02, le courant d'excitation (Iex)MCC est créé à partir d'une alimentation continue (Uex)MCC ≈ 110 V. • En C03, le courant d'excitation (Iex)MCC est créé grâce à une excitation "shunt" : (Uex)MCC = UMCC Montage MS : • En C02, le courant d'excitation (Iex)MS est créé à partir (au choix): d'une alimentation stabilisée (courant >10A). d'un autotransformateur triphasé débitant sur un pont de diodes PD3. d'une excitatrice montée sur l'arbre moteur : soit une MCC soit une MS inversée (induit au rotor) débitant sur un pont PD3 tournant. • En C03, le courant d'excitation (Iex)MS est créé par un autotransformateur monophasé réglable, débitant sur un pont de diodes monophasé et un éventuelle inductance de lissage du courant. Pour le relevé des courants et des puissances, on pourra faire plusieurs spires autour de la pince à condition de prendre en compte le nombre de spires dans la mesure des courants et puissances. Le montage doit être vérifié par l'enseignant avant la mise sous tension. Il en sera de même après chaque modification du circuit. On fera vérifiera avant chaque mise sous tension que les autotransformateurs sont sur 0% afin d'éviter des courants de magnétisation destructeurs Page 2 sur 7 TP Machine Synchrone 1ère année - Option 2009- 2.- Relevé de la caractéristique à vide de l'Alternateur (MS) Mesures : • Démarrer la MCC (Excitation alimentée) et régler la vitesse à 1500 tr/min. On pourra utiliser l'Oscilloscope "triggé" sur "Secteur" pour vérifier que les tensions statoriques de la MS varient bien à 50 Hz. Le signal doit alors être parfaitement stable sur l'écran de l'oscilloscope. • Stabiliser le cycle d'hystérésis en faisant (Iex)MS = max puis (Iex)MS = 0 plusieurs fois. Que se passe-t-il lorsque (Iex)MS varie ? Visualiser la tension statorique de la MS à l'oscilloscope et détailler votre réponse. Justifier la présence d'une tension non nulle en l'absence de courant d'excitation.* Indiquer le nombre p de paires de pôles de la machine. • En faisant varier le courant d'excitation de la machine synchrone (Iex)MS croissant puis décroissant ( 5 à 6 points chaque fois) relever : (Iex)MS nb de spires ? 0A Ev = (VMS)0 PMCC nb de spires ? UMCC (PMCC)0 IMCC (IMCC)0 nb de spires ? f = 50 Hz cste f = 50 Hz cste ……… f = 50 Hz cste (Iex)MS MAX f = 50 Hz cste (Iex)MS MAX f = 50 Hz cste ……… f = 50 Hz cste 0A (PMCC)0 f = 50 Hz cste On fera attention à bien garder une fréquence de 50 Hz en "fixant" la fem à vide sur l'oscilloscope triggé sur "secteur". On réglera pour cela la tension d'alimentation de la MCC UMCC à l'alternostat. Interprétation : • Que remarquez-vous sur la courbe Ev = (VMS)0 = f[(Iex)MS] ? • A quoi sert la puissance électrique PMCC prélevée sur l'alimentation continue ? A quoi correspond (PMCC)0 ? et (IMCC)0 ? • Tracer PMCC = f[(Iex)MS] puis PMCC - (PMCC)0 = f[(Iex)MS] • Tracer PMCC- (PMCC)0 = f(Ev²) puis PMCC - (PMCC)0 = f(Ev²) Page 3 sur 7 TP Machine Synchrone 1ère année - Option 2009- 3.- Essai en court-circuit de l'Alternateur (MS) Mesures : • Démarrer la MCC (Excitation alimentée) et régler la vitesse à 1500 tr/min. On pourra utiliser l'Oscilloscope "triggé" sur "Secteur" pour vérifier que les courants statoriques de la MS varient bien à 50 Hz. Le signal doit alors être parfaitement stable sur l'écran de l'oscilloscope. Que se passe-t-il lorsque (Iex)MS varie ? Visualiser le courant statorique de la MS à l'oscilloscope et détailler votre réponse. Justifier la présence d'un courant non nul en l'absence de courant d'excitation.* Indiquer le nombre p de paires de pôles de la machine. • En faisant varier le courant d'excitation de la machine synchrone (Iex)MS à partir de 0A jusqu'à atteindre un courant statorique (IMS)CC nominal ( 5 à 6 point) relever : (Iex)MS nb de spires ? (IMS)CC nb de spires ? 0A PMCC nb de spires ? UMCC (PMCC)0 IMCC nb de spires ? f = 50 Hz cste f = 50 Hz cste ……… f = 50 Hz cste (Iex)MS (IMS)CC MAX f = 50 Hz cste On fera attention à bien garder une fréquence de 50 Hz en "fixant" le courant de court-circuit sur l'oscilloscope triggé sur "secteur". On réglera pour cela la tension d'alimentation de la MCC UMCC à l'alternostat. Sauf indication contraire, le stator de la MS sera couplé en TRIANGLE. On fera attention aux valeurs nominales à ne pas dépasser. Un schéma du couplage sera bienvenu pour vérifier ces valeurs… Interprétation : • Que remarquez-vous sur la courbe (IMS)CC = f[(Iex)MS] ? • A quoi sert la puissance électrique PMCC prélevée sur l'alimentation continue ? A quoi correspond (PMCC)0 ? • Tracer PMCC = f[(Iex)MS] puis PMCC - (PMCC)0 = f[(Iex)MS] • Tracer PMCC = f[(IMS)CC ²] puis PMCC - (PMCC)0 = f[(IMS)CC ²] Page 4 sur 7 TP Machine Synchrone 1ère année - Option 2009- 4.- Essai en continu ("rotor bloqué") Cette mesure est réalisée "à chaud" car les résistances dépendent de la température. La précision des ohmmètres est insuffisante pour mesurer des résistances de l'ordre du ohm. Audessus de quelques ohms, on considèrera la précision suffisante. On utilisera alors la méthode VoltAmpèremétrique vue dans les précédents TP, utilisant une génératrice stabilisée de courant continu… Mesures : • Mesurer la résistance des bobinages statoriques et rotoriques de chacune des machines utilisées : MCC : MS : rMCC = résistance de l'induit RS = résistance de l'induit RMCC = résistance de l'inducteur Rex = résistance de l'inducteur Interprétation : En déduire l'ordre de grandeur des pertes Joule dans la MCC lors des essais précédents (PjMCC)max = ? Calculer la valeur de PjMCC lors des essais précédents. 5.- Détermination des paramètres Modèle de Behn-Eschenburg : • Rappeler le schéma équivalent de Behn-Eschenburg d'une phase d'une Machine Synchrone. • Quelles sont les 4 conditions de validité de ce modèle ? Sont-elles vérifiées ? • Déterminer les valeurs des paramètres RS et XS du schéma de Behn-Eschenburg. Bilan des puissances : • Effectuer un bilan des puissances actives depuis la MCC jusqu'à la charge de l'alternateur. • Retrouver, si possible, les différentes puissances mises en jeu. En déduire une valeur approchée de RS. Page 5 sur 7 TP Machine Synchrone 1ère année - Option 2009- 6.- Utilisation de la Machine Synchrone en alternateur pour alimenter des charges passives équilibrées. Bien que nous ne soyons pas dans le strict cadre d'application du modèle de Behn-Eschenburg, la prise en compte de ce modèle va nous permettre d'expliquer le comportement en charge de la machine synchrone. Pour chaque essai, on débutera l'expérience génératrice à vide avec une tension efficace entre ses phases de 230 V (soit Ev = 133 V entre une phase et le neutre). Par ailleurs, on fera attention à bien maintenir constante à 1500 tr/min (f = 50 Hz) la vitesse de rotation du banc moteur. Charge résistive équilibrée : • A 1500 tr/min, régler la tension à vide entre phases à 230 V. On agit pour cela sur le réglage de (Iex)MS. • Connecter un banc triphasé de résistances variables. • Sans changer l'excitation (Iex)MS, relever en charge pour différentes valeurs de IMS : (Iex)MS nb spires ? IMS nb de spires ? X A (cf Ev=f[ (Iex)MS] 0 A UMS VMS 230 V 133 V PMCC nb de spires ? UMCC IMCC nb de spires ? f = 50 Hz f = 50 Hz XA 1/2 x IMS max f = 50 Hz XA IMS MAX f = 50 Hz • • Expliquer la variation de la tension aux bornes de la MS. Peut-on retrouver XS ? Régler le courant d'excitation pour retrouver UMS = 230 V en charge (par exemple une charge absorbant IMS MAX ou la moitié). Relever à nouveau (Iex)MS nb spires ? IMS nb de spires ? UMS VMS PMCC nb de spires ? UMCC IMCC nb de spires ? f = 50 Hz Y≠X 1/2 x IMS max 230 V 133 V f = 50 Hz • Décrire le flux d'énergie. • Tracer le diagramme de Fresnel "de principe" puis le véritable diagramme de Fresnel sur papier millimétré. Retrouver si possible les paramètres identifiés précédemment (notamment XS). Charge inductive équilibrée : • A 1500 tr/min, régler la tension à vide entre phases à 230 V. On agit pour cela sur le réglage de (Iex)MS. • Connecter un banc triphasé d'inductances variables. • Sans changer l'excitation (Iex)MS, relever le courant IMS et la tension UMS , ainsi que en charge pour IMS = IMS max (Iex)MS nb spires ? IMS nb de spires ? X A (cf Ev=f[ (Iex)MS] 0 A UMS VMS 230 V 133 V PMCC nb de spires ? UMCC IMCC nb de spires ? f = 50 Hz f = 50 Hz XA 1/2 x IMS max f = 50 Hz XA IMS MAX f = 50 Hz • • Expliquer la variation de la tension aux bornes de la MS. Peut-on retrouver XS ? Régler le courant d'excitation pour retrouver UMS = 230 V en charge (par exemple une charge absorbant IMS MAX ou la moitié). Relever à nouveau (Iex)MS nb spires ? IMS nb de spires ? UMS VMS PMCC nb de spires ? UMCC IMCC nb de spires ? f = 50 Hz Y≠X 1/2 x IMS max 230 V 133 V f = 50 Hz • Décrire le flux d'énergie. • Tracer le diagramme de Fresnel "de principe" puis le véritable diagramme de Fresnel sur papier millimétré. Retrouver les paramètres identifiés précédemment (notamment XS). Page 6 sur 7 TP Machine Synchrone 1ère année - Option 2009Charge capacitive équilibrée : • A 1500 tr/min, régler la tension à vide entre phases à 230 V. On agit pour cela sur le réglage de (Iex)MS. • Connecter un banc triphasé de capacités variables. • Sans changer l'excitation (Iex)MS, relever le courant IMS et la tension UMS , ainsi que en charge pour IMS = IMSmax (Iex)MS nb spires ? IMS nb de spires ? X A (cf Ev=f[ (Iex)MS] 0 A UMS VMS 230 V 133 V PMCC nb de spires ? UMCC IMCC nb de spires ? f = 50 Hz f = 50 Hz XA 1/2 x IMS max f = 50 Hz XA IMS MAX f = 50 Hz • • Expliquer la variation de la tension aux bornes de la MS. Peut-on retrouver XS ? Régler le courant d'excitation pour retrouver UMS = 230 V en charge (par exemple une charge absorbant IMS MAX ou la moitié). Relever à nouveau (Iex)MS nb spires ? IMS nb de spires ? UMS VMS PMCC nb de spires ? UMCC IMCC nb de spires ? f = 50 Hz Y≠X 1/2 x IMS max 230 V 133 V f = 50 Hz • Décrire le flux d'énergie. • Tracer le diagramme de Fresnel "de principe" puis le véritable diagramme de Fresnel sur papier millimétré. Retrouver les paramètres identifiés précédemment (notamment XS). Synthèse Des expériences précédentes, déduire les moyens de réglage des paramètres (fréquence et valeur efficace) de la tension alternative sinusoïdale VMS(t) délivrée par l'alternateur synchrone. ANNEXE Rappels sur la machine à courant continu : E Force électromotrice, Φ Flux inducteur, Ω Vitesse de rotation de l'arbre E = kΦ x Ω Cem couple moteur électromécanique, Φ Flux inducteur et IMCC courant d'induit. Cem = kΦ x IMCC Le flux dans l'inducteur, donc le courant (Iex)MCC, donne la valeur du coefficient kΦ. ATTENTION : pour un montage à excitation "shunt" (Iex)MCC = U MCC / Rshunt. Et le modèle électrique donne : U MCC = E + r MCC . IMCC Page 7 sur 7
