TP1 Machine synchrone

10/11/2020
CR Electrotechnique
TP 1 : Machine synchrone triphasée
Etudiants :
Aïssatou Diouf
Beatriz Kamenhe
Zakaria El Hanaoui
Introduction
Lors de ce TP, nous identifierons les différents paramètres de la machine synchrone et nous
étudierons son fonctionnement.
Ici, la machine synchrone fonctionne en alternateur entraîné par un moteur asynchrone
(alimenté par un variateur de vitesse) dont la vitesse est maintenue constante et égale à la
vitesse nominale de l’alternateur (1500tr/mn).
Le réglage de la vitesse est obtenu par action sur la consigne variateur (potentiomètre en
façade avant).
L’inducteur de l’alternateur est alimenté par une source continue variable pour faire varier le
courant d’excitation If.
Le couplage de ce moteur est un couplage étoile.
Objectifs :
•
Détermination des éléments du modèle à réactance constante ;
•
Essais sur charge indépendante ;
•
Couplage d’un alternateur sur un réseau de fréquence et tension imposées.
1. Identification des paramètres
Les caractéristiques affichées sur la plaque signalétique sont ci-après :
Fig.1
2
A l’aide d’un oscilloscope, nous avons vérifié l’influence du courant d’excitation et de la vitesse sur la
f.e.m à vide. Ici, on peut voir la forme d’onde Ev sans modification :
Lorsque l’on fait varier If c’est l’amplitude de Ev qui augmente :
3
Lorsque l’on fait varier la vitesse c’est la fréquence de Ev qui varie :
Ici la fréquence a augmenté car
la vitesse a augmenté
1.1. Caractéristiques à vide Ev = f(If)
Le fonctionnement à vide de la machine synchrone se fait lorsque le stator n’est parcouru par
aucun courant.
Plateforme d’essais
Fig.2
Etant l’alimentation de l’inducteur égale à 270 V.
Le moteur asynchrone associé au variateur de fréquence permet de remplacer la turbine de
l’alternateur. C’est le variateur de fréquence qui permet de régler la vitesse de rotation de
l’alternateur au synchronisme.
L’équation qui caractérise le fonctionnement à vide de la machine synchrone est :
𝐸𝑠0 = 𝐸𝑣 = −𝑗𝜔𝜑𝑠 = −𝑗
𝑀𝑠𝑓 ∗ 𝜔
√2
∗ 𝐼𝑓
4
Méthodologie :
•
En partant de la valeur minimale disponible du courant d’excitation If, faire croître If
en relevant la valeur de la tension composée U aux bornes de l’induit ;
•
Faire varier If, toujours dans le même sens, jusqu’à l’obtention de la valeur U=1.2Un ;
•
Faire ensuite décroître If, toujours dans le même sens, jusqu’à l’obtention de sa valeur
minimale, en relevant les valeurs de U ;
•
La caractéristique Ev = f(If) est la courbe moyenne des relevés à If croissant et If
décroissant.
NB : On ne peut pas dépasser la valeur nominale du courant If donné sur la plaque signalétique
(4.5 A pour le couplage étoile).
Courbe Ev = f(If)
On relève la f.e.m à vide par phase Ev=f(If). Ev étant égale à la tension monophasée simple, à
𝑈
savoir 3
pour N = 1500 tr/min
√
On obtient les valeurs suivantes :
𝐼𝑓 (A)
𝐸𝑣 (V)
4.5
4.25
4.02
3.57
3.27
3.07
3.03
2.78
2.51
2.25
2
1.75
1.51
1.2
1.01
0.75
0.55
0.24
0.087
0.014
0.0083
247.33
245.33
243.42
241.05
239.05
235.75
232.45
229.50
225.59
221.50
216.33
209.77
201.60
189.77
165.87
133.20
100.62
46
25.78
17.01
16.23
5
On obtient la courbe suivante :
Fig.3
La f.e.m Ev est proportionnel au courant inducteur If lorsque la vitesse de rotation est
maintenue constante et cette proportionnalité est valable jusqu’à ce que le champ Bf atteigne
la saturation.
La caractéristique Ev = f(If) présente une proportion rectiligne (zone linéaire) de pente
𝑀𝑠𝑓∗𝜔
√2
puis s’incurve (zone saturée). La tension nominale se situe au début du coude de la saturation.
1.2. Caractéristique en court-circuit Icc = f(If)
Plateforme d’essais
Fig.4
Méthodologie :
•
L’alternateur tournant à la vitesse nominale, relever les valeurs du courant de courtcircuit Icc dans l’induit lorsque le courant d’excitation If varie de sa valeur minimale à
la valeur Icc = 1.25In (In courant nominal).
6
•
Pour If = 0.5Ifn (Ifn courant nominal d’excitation), vérifier l’influence de la vitesse sur
la valeur de Icc.
Courbe Icc = f(If)
On relève le courant statorique Icc en fonction du courant d’excitation.
On obtient les valeurs suivantes :
𝐼𝑓 (A)
𝐼𝑐𝑐 (A)
0.33
0.65
0.89
1.09
1.32
1.42
1
2
3
4
5
5.55
On obtient la courbe suivante :
1,4
Icc=f(If)
1,2
1
Icc
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1
2
3
4
5
6
If
Fig.5
La caractéristique en court-circuit d’une machine synchrone exprime l’évolution du courant
statorique Icc en fonction du courant inducteur If de la machine. La vitesse de rotation est
maintenue constante et les enroulements statoriques sont en court-circuit.
Le courant Icc est proportionnel au courant If. Cette caractéristique est linéaire.
7
1.3. Mesure de la résistance R
La mesure s’effectue par la méthode volt-ampèremétrique, le réseau à courant continu
variable se comporte comme une source de courant vis-à-vis des enroulements alimentés.
Plateforme d’essais
Fig.6
𝑉
Etant 𝑅 = 2∗𝐼
Méthodologie :
•
On relève les valeurs de la tension aux bornes de l’inducteur et du courant pour deux
points de fonctionnements.
Les valeurs se trouvent ci-après :
𝐼𝑑𝑐 (A)
𝑉 (V)
R (𝛺)
4.5
18.56
2.062
4.66
18.56
1.991
On calcule ensuite la valeur moyenne de R
𝑅=
2.062 + 1.991
≈ 2.03 𝛺
2
1.4. Détermination de la réactance synchrone
Pour chaque point de l’essai en court-circuit et en utilisant l’essai à vide, déterminer puis tracer
Xd = f(If)
Considérons le schéma équivalent suivant :
Fig.7
8
A l’aide de la loi des mailles on peut écrire :
Ev = R*Icc + Xd*Icc + V
La marche en court-circuit correspond à régime non saturé de sorte que l’on peut utiliser la
méthode de Behn-Eschenburg pour déterminer la réactance synchrone Xd. Sachant que V=0
en court-circuit, l’équation précédente permet d’écrire :
𝐸𝑣 2
𝑋𝑑 = √ 2 − 𝑅²
𝐼𝑐𝑐
On obtient les valeurs suivantes :
𝐼𝑓 (A)
0.321
0.65
0.85
1.89
1.32
1.42
𝐼𝑐𝑐 (A)
1
2
3
4
5
5.53
𝐸v (V)
24.025
48.75
63.75
144.75
99
106.5
𝑋𝑑 (𝛺)
23.80
24.11
20.94
19.47
19.23
18.88
On trace la courbe Xd = f(If) avec la courbe de l’essai à vide pour mieux voir l’évolution de Xd
en fonction de If.
Xd=f(If)
1200
1000
Xd
800
600
400
200
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
If
Fig.8
La fig.8 montre que la réactance Xd est constante lorsque la machine n’est pas saturée et elle décroît
au fur et à mesure que la machine se sature.
9
2. Alternateur débitant sur un récepteur indépendant
L’alternateur entraîné à une vitesse constante (1500 tr/min) alimente un plan de charge
résistif.
Plateforme d’essais
Fig.9
2.1. Caractéristique en charge V = f(I) à If = cte
Méthodologie :
•
Amener le groupe à la vitesse de 1500 tr/min.
•
Régler le courant d’excitation If pour obtenir la tension nominale à vide.
•
Faire varier le courant le courant d’induit de 0 à 1.25In (In courant nominal) à l’aide du
plan de charges et relever la caractéristique V = f(I)
On obtient les valeurs ci-dessous :
Vréseau (V)
339
341
346.3
351
358
367
370
367
384
392
I (A)
4.45
4.20
3.94
3.43
2.78
2.08
1.81
1.31
0.77
0.13
10
Courbe V = f(I)
Fig.10
Nous voyons alors très bien que la tension diminue lorsque le courant d’induit augmente.
2.2 Caractéristique de réglage :
Ici, nous souhaitons faire varier I de 0 à 4,5A et maintenir la tension à sa valeur nominale.
Pour ce faire, nous faisons varier le courant d’excitation If.
Nous relevons I et If (avec deux ampèremètres) et nous obtenons ces valeurs :
If
I
2,46
2,54
2,68
2,89
3,02
3,27
3,44
3,71
3,9
4,15
4,16
4,2
0,148
0,308
0,767
1,23
1,55
2,01
2,33
2,8
3,12
3,42
3,57
3,72
11
A partir de ces valeurs nous avons tracé la caractéristique If=f(I) :
Fig.11
Nous pouvons alors voir que le courant d’excitation augmente en fonction du courant
d’induit.
3.3 Rendement :
Lors de cet essai, nous avons fait varier I en maintenant U à sa valeur nominal en faisant
varier If. Les mesures que nous avons effectuées sont la mesure de I, de If, de Uf, de Tu et de
N. (Avec comme matériel, une dynamo-tachymètre, des ampèremètres, un voltmètre et un
Couplemètre.
𝑃𝑢
En effet, le rendement de l’alternateur est égal à 𝜂 = 𝑃𝑎𝑏 =
𝑇𝑢∗𝛺
√3∗𝑈∗𝐼∗𝑐𝑜𝑠𝜑+𝑈𝑓∗𝐼𝑓
12
Ainsi pour calculer le rendement avec nos différentes valeurs nous avons dû convertir la
vitesse N en rad/s. De plus notre alternateur étant sur une charge résistive, le cos 𝜑 = 1
Voici donc nos valeurs :
𝛺
N
1473
1466
1456
1445
1436
1423
154,2521
99
153,5191
61
152,4719
63
151,3200
46
150,3775
68
149,0162
12
Tu
1,8
5,5
9,3
13,3
17,3
21,5
Pu
Vf
277,6539
59
844,3553
86
1417,989
26
2012,556
61
2601,531
93
3203,848
55
If
P induit I
0,0000 0,00082
55,3
15
95
2,4
60,8
0,78
47,424
2,67
69,5
1,55
107,725
3,01
79,3
2,33
184,769
3,41
91
3,11
283,01
3,82
105
3,87
406,35
4,3
P
Pab
1662,7
2
1662,72083
1849,7
76
1897,2
2085,3
28
2193,053
2362,4
48
2547,217
2646,4
96
2929,506
2979,0
4
3385,39
Nous avons Pu= 𝛺 ∗ 𝑇𝑢, P induit= Vf*If, P= √3 ∗ 400 ∗ 𝐼 ∗ 1 et Pab= P+P induit
Ainsi nous pouvons alors calculer le rendement qui vaut alors pour chacun des points :
𝜂
0,16698772
0,44505344
0,6465823
0,79010018
0,88804458
0,94637503
13
Enfin nous traçons 𝜂 = 𝑓(𝐼) :
Rendement=f(I)
1
0,9
0,8
Rendement
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
I
Fig.12
Nous pouvons alors voir qu’au courant nominale, nous avons un rendement d’environ 95%
et que ce dernier augmente en fonction du courant d’induit.
Conclusion :
Lors de ce TP, nous avons étudié le fonctionnement en alternateur de la machine synchrone
précédemment vu en cours en confrontant les résultats obtenus aux résultats théoriques
des TD malheureusement nous n’avons pas eu le temps de finaliser le sujet en raison des
contraintes, néanmoins la partie câblage a été réaliser en salle de TP et nous avons saisis les
différents enjeux et objectifs du sujet à travers les différents essais et les caractéristiques
obtenus en fonctions des éléments constitutifs de la machine synchrone.
14