See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/323104651 Travaux pratiques : Electrotechnique Fondamentale 2 Machines électriques Research · February 2018 DOI: 10.13140/RG.2.2.12439.21923 CITATIONS READS 0 5,539 2 authors: Mourad Loucif Abdelkader Mechernene Abou Bakr Belkaid University of Tlemcen Abou Bakr Belkaid University of Tlemcen 17 PUBLICATIONS 68 CITATIONS 34 PUBLICATIONS 132 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: COMMANDE SANS CAPTEUR View project Maximum Power Point Tracking Based on Backstepping Control of Wind Turbine View project All content following this page was uploaded by Mourad Loucif on 10 February 2018. The user has requested enhancement of the downloaded file. SEE PROFILE REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abou Bekr Belkaїd – Tlemcen Faculté de Technologie Département du Génie Electrique et Electronique Domaine : Sciences et Technologies LMD : 2° Année – Electrotechnique Semestre 4 Travaux pratiques Electrotechnique Fondamentale 2 Machines électriques Abdelkader Mechernene Mourad Loucif Année universitaire 2016 / 2017 AVANT PROPOS Ce fascicule de travaux pratiques est destiné aux étudiants de deuxième année de Licence du système LMD, Sciences et Technologie, option Electrotechnique. Son objectif est mettre à leur disposition un document de travail, leur permettant de s’imprégner de la théorie exposée en cours d’électrotechnique et de faciliter sa mise en pratique pendant les manipulations expérimentales. Dans l’enseignement du génie électrique, les activités expérimentales, occupent une place importante. Aussi, est-il essentiel, non seulement d’acquérir les savoir-faire indispensables à une bonne utilisation du matériel et des différents appareils de mesures employés, mais également d’aboutir à une bonne compréhension des méthodes mises en œuvre. C’est la raison pour laquelle la préparation des travaux pratiques doit être considérée avec sérieux et attention par les étudiants, afin d’en tirer le maximum de profit sans détériorer le matériel mis à leur disposition. Le présent fascicule est organisé de la manière suivante : Un préambule donne des informations générales sur le déroulement des séances de travaux pratiques, quelques recommandations relatives à la rédaction des compte-rendus de travaux pratiques, enfin les étapes à respecter lors de l’élaboration des montages électriques et les principales consignes de sécurité sont rappelées. Puis six thèmes d’étude sont proposés, chacun d’eux comportant : - Un rappel théorique concernant le thème concerné ayant pour but d’exposer les aspects essentiels et suffisants à la bonne réalisation de l’activité expérimentale proposée. L’étudiant devra, obligatoirement, en prendre connaissance, et éventuellement approfondir certains points lui paraissent importants. - Deux thèmes de TP comprenant les objectifs, quelques questions de préparation à effectuer avant la séance programmée au laboratoire, la description détaillée des manipulations à réaliser, comportant les schémas de montage et les modes opératoires, enfin la liste du matériel nécessaire à la réalisation des manipulations proposées. Chaque binôme devra obligatoirement montré en début de séance à l’enseignant chargé des travaux pratiques, un document dont il tiendra compte dans son évaluation, comportant les réponses aux questions de préparation, les tableaux de mesures nécessaires aux différents relevés. En annexe, l’étudiant trouvera un bref rappel sur le tracé d’une courbe expérimentale à l’aide du tableur Excel, un rappel sur les principales grandeurs électriques et quelques fiches techniques relatives relatives aux matériels employés afin de faciliter leur utilisation. i Déroulement des séances de travaux pratiques • Les étudiants seront informés de la liste des travaux pratiques que l’enseignant aura sélectionné et du calendrier de leur déroulement pendant le semestre pour chaque groupe d’étudiant (Numéro de séance, date, titre de TP). • Les séances de travaux pratiques auront lieu au laboratoire d’électrotechnique (LABME1 ou LAB-ME2) et les manipulations seront effectuées en équipe composée de trois ou quatre étudiants, sauf dans le cas d’une entente particulière avec l’enseignant chargé des TP (s). • La présence des étudiants est obligatoire et contrôlée. Toute absence non justifiée ou un compte-rendu non remis entraı̂neront la note de 0/20 qui sera prise en compte dans le calcul de la moyenne. • En cas d’absence, une copie du justificatif doit être remise à l’enseignant au début de la séance suivante, l’original devra être déposé au bureau du département de GEE. • Les étudiants n’ayant pas effectué le travail de préparation se verront refuser l’accès au laboratoire et se verront affecté la note de 0/20. ii Recommandations relatives à la rédaction des compte-rendus Travail de préparation Les travaux pratiques d’électrotechnique doivent être considérés avec sérieux et attention. Dans ce but le travail de préparation, avant la séance de TP, est essentiel. Il permet de se préparer, avant les manipulations, afin de garantir un bon déroulement des activités prévues, permet de récolter et d’utiliser les informations pour ne pas être handicapé lorsqu’il faut interpréter un résultat. Chaque étudiant devra impérativement prendre connaissance du complément théorique et du document concernant le TP à réaliser, puis utiliser la documentation disponible (cours d’électrotechnique, ouvrage spécialisés, sites internet, etc. . . ) afin de répondre aux questions de préparation. Un document comportant les réponses aux questions proposées pour le TP considéré et les tableaux de mesures nécessaires aux différents relevés, devra être obligatoirement montré à l’enseignant (qui l’emmargera) en début de séance , ce document sera pris en compte dans l’évaluation finale du TP. Compte-rendu Pour être recevable, le compte-rendu est remis à l’enseignant ayant encadré le TP, deux semaines après son exécution pratique, à moins d’une indication contraire de sa part. Passé ce délai, tout retard non justifié entraı̂nera une pénalité sur la note du compte-rendu. La remise du compte-rendu se fait sous une reliure simple avec deux feuilles cartonnées pour sa couverture, l’une en recto et l’autre en verso). Il sera rédigé sur feuilles A4 et restreint à 4 ou 5 pages, les graphiques étant inclus. Il est inutile de recopier intégralement la partie théorique fournie dans le fascicule. Il comportera impérativement les rubriques suivantes : • Une page de garde : Sur laquelle sera mentionné le titre du TP, la date de la séance correspondante, la section d’appartenance, les noms et prénoms des participants au TP, le nom et prénom du rédacteur principal. • Une introduction : Elle doit être personnelle et présenter brièvement de manière claire tous les objectifs du TP, ainsi que le contexte expérimental. • Une fiche de préparation : Elle devra comporter toutes les réponses aux questions proposées pour le TP considéré. Les réponses devront être brèves et tendant à l’essentiel. • Des fiches descriptives pour chaque manipulation : Il sera nécessaire de rappeler les schémas de montage, les démarches et méthodologies suivies, les hypothèses, ainsi que les principales relations utilisées dans le cadre du TP. • Les résultats et exploitation : Les résultats expérimentaux seront présentés dans des tableaux, les procédures de calcul utilisées pour vos applications numériques devront être présentées brièvement. Les résultats obtenus seront discutés clairement, en essayant de rechercher leur sens physique et de voir si les valeurs mesurées ou calculées sont cohérentes. Les commentaires doivent être scientifiquement pertinents. iii • Les graphes et courbes caractéristiques : Ils seront traités par un tableur ou un logiciel adéquat pour les tracer (Excel ou autres). Aucun graphe ne sera accepté sur feuille de papier millimétré (sauf indication). Ne pas oublier de préciser les noms et les unités des grandeurs représentées sur les axes et les échelles. Lorsque plusieurs courbes sont tracées sur une même figure, donner une légende claire pour chacune d’elles. Sous chaque figure, indiquer explicitement sa légende complète ainsi que son numéro par ordre d’apparition dans le compte-rendu. • Conclusion générale : Il s’agit de discuter les objectifs préalablement fixés, ont-ils été atteints ou pas, et commenter la qualité ces résultats. Elle devra comporter une conclusion par manipulation et récapitulée l’ensemble des résultats expérimentaux obtenus. Le compte-rendu se doit d’être un texte concis qui contient tout ce qui est pertinent à l’étude. Pour la démarche scientifique et l’interprétation, il ne faut pas se contenter d’observer seulement les phénomènes, mais il faut, si nécessaire, faire des recherches pour pouvoir les interpréter correctement. Il ne doit pas s’agir d’une simple collection de résultats, mais d’un véritable rapport technique dans lequel vous donnerez des explications et des commentaires sur les résultats obtenus. La qualité des interprétations et de la rédaction est un point important qui sera évalué Evaluation des travaux pratiques Les travaux pratiques seront évalués en cours de semestre, cette évaluation tiendra principalement compte des points suivants : - l’assiduité des étudiants : documents de préparation non remis ou négligés, retards, départ avant la fin de la séance sans accord de l’enseignant, poste de travail non rangé en fin de séance, etc. . . ) ; - la prestation des étudiants : au sein d’un groupe, si l’un des étudiants effectue 80% du travail, il est évident que la note attribuée à chaque étudiants sera différente ; - le comportement des étudiants : discipline, sérieux pendant la séance de TP ; - la rédaction des comptes rendus : présence abusive de fautes d’orthographe, de syntaxe ou de grammaire, qualité de la présentation, clarté de la rédaction, calculs d’erreurs, clarté des courbes et des résultats, pertinence des discussions et des conclusions, etc. . . ). L’enseignant correcteur ne corrigera pas un compte-rendu de TP qui présente des déficiences linguistiques trop importantes. Dans ce cas, il sera demandé à l’étudiant de reprendre son travail. Un nouveau compte-rendu devra être soumis dans un délai maximal d’une semaine, si ce délai n’est pas respecté, une note de zéro sera attribuée au travail en question. Les sanctions prévues dans le cas révélé de plagiat seront appliquées aux étudiants identifiés par l’enseignant correcteur chargé des TP (s). iv Recommandations relatives à l’élaboration des montages électriques Les étapes suivantes sont à respecter impérativement lors de l’élaboration d’un montage : • Phase préparatoire - Placer le schéma pratique complet et précis du montage sur le plan de travail, qui doit être propre et rangé, - Choisir les différents éléments constitutifs du montage et les disposer en respectant pour chacun la disposition qu’indique le schéma pratique, - S’assurer que tous les appareils sont sur la positon arrêt, - Vérifier que la (ou les) tension(s) d’alimentation sont pré-régler sur zéro, - Dans le cas d’utilisation d’oscilloscope, il doit être pré-réglé et constamment sous tension. • Réalisation du câblage (fonction par fonction) - Un seul étudiant prend en charge la totalité du montage, un deuxième le vérifie et en sera responsable, - Réaliser le câblage, maille par maille, fonction par fonction, un seul conducteur à la fois en partant du générateur et allant vers le récepteur. La longueur et la couleur des conducteurs doit être appropriées et leur section compatible avec les intensités mises en jeu. - Brancher les voltmètres, les circuits tension des wattmètres (et l’oscilloscope) ; - Pré-régler les alimentations et ajuster les appareils de mesure (fonctions/calibres), - Faire vérifier le montage par l’étudiant responsable, - Avant la mise sous tension, faire vérifier le montage par le professeur. • Mise sous tension - Respecter le protocole de mise sous tension des sources d’alimentation. • Modification du montage et arrêt - Eteindre les sources de tension dans l’ordre inverse de la mise sous tension, - Si le fonctionnement n’est pas satisfaisant ou si une modification est nécessaire : * Effectuer la modification, * Faire vérifier le montage avant la remise sous tension. • Règles de sécurité - Vérifier que les normes de mise à la terre des appareils sont respectées. - Débrancher un voltmètre ou un oscilloscope du montage et non au niveau de l’appareil de mesure. v • A la fin des manipulations ne pas oublier : - d’éteindre les appareils (alimentations, oscilloscopes, etc. . . ), - de débrancher et de ranger le matériel correctement, - de remettre les conducteurs à leur place, - de remettre en ordre le poste de travail et de ranger les chaises correctement. Pour vos brouillons, papiers, etc. . . , une corbeille est à votre disposition dans le laboratoire. Consignes de sécurité Il est impératif que les règles de sécurité soient scrupuleusement respectées vu la présence de tension élevée. Elles seront données et discutées en début de semestre lors d’une séance de familiarisation avec les équipements électriques utilisés. Il est important de rappeler les recommandations et consignes de sécurité suivantes : • Il est nécessaire de manier le matériel mis à disposition et les machines étudiées avec attention et prudence. • Il est strictement interdit de déplacer du matériel d’un poste vers un autre (en cas de panne ou en présence d’appareil défectueux, faire appel à l’enseignant). • Les montages doivent être vérifiés obligatoirement par l’enseignant avant la mise sous tension. • Il est strictement interdit de mettre sous tension les montages réalisés sans la présence et l’autorisation de l’enseignant • Il est nécessaire, pour chaque manipulation, de suivre la procédure conseillée par le mode opératoire. • Les accouplements mécaniques entre les machines tournantes doivent être vérifiés avant la réalisation des montages électriques, • Tous les montages électriques doivent prévoir une connexion à la terre. • Aucun câble ne doit être laissé avec une extrémité libre après avoir terminé les branchements (si c’est le cas, il faudra complètement vérifier et corriger le circuit). • Aucune connexion ne doit être débranchée pendant les essais. • Il est interdit d’effectuer de modification sur les montages réalisés, pendant les manipulations, sans demander l’approbation de l’enseignant. • Il est impératif de vérifier avant la mise sous tension que les alimentations sont pré-régler sur leur valeur minimale. • Il est nécessaire de ramener les alimentations à leur valeur minimale à la fin de chaque manipulation. • Il faut couper toutes les alimentations électriques une fois les travaux pratiques terminés. vi THEME 1 TRANSFORMATEUR MONOPHASE Rappel théorique TP 01-a : Transformateur monophasé - Essais directs TP 01-b : Transformateur monophasé - Essais indirects Complément théorique 1 TRANSFORMATEUR MONOPHASE 1. Présentation Le transformateur permet d'adapter, selon les besoins, une tension alternative sinusoïdale en l'élevant ou en l'abaissant sans en modifier la fréquence. Il comporte deux types de circuit, le circuit magnétique et deux circuits électriques indépendants appelés circuit primaire et circuit secondaire. Figure 1 Le circuit magnétique est fermé : Il est constitué d'un assemblage de tôles ferromagnétiques (feuilletage) ou d'une ferrite ; il canalise le flux magnétique. Les circuits primaire et secondaire sont électriquement indépendants : Le circuit primaire constitue d'un enroulement unique alimenté sous une tension sinusoïdale correspondant en général à celle du réseau de distribution. Le circuit secondaire pouvant comporter un ou plusieurs enroulements délivrant chacun une tension sinusoïdale, de valeur efficace en général différente de celle de la tension primaire. Le transformateur est constitué de deux bobines couplées par un noyau de fer conduisant le flux crée par l'une jusqu'au secondaire. Les tensions induites sont proportionnelles aux nombres de spires. Le primaire recevant l'énergie du réseau d'alimentation est considéré comme un récepteur, alors que le secondaire est vu comme un générateur par la charge. On appelle bornes homologues les bornes (notées par un point) et telles qu'un courant entrant par celles-ci crée un flux orienté dans le même sens. Les tensions vues sur ces points sont de même polarité. 2. Relations générales d'un transformateur parfait Le transformateur est considéré parfait si les pertes Joules (donc les résistances des enroulements primaire et secondaire) et les pertes magnétiques sont négligées, et d'autre part si son circuit magnétique n'est pas saturé et sans de fuites magnétiques (le même flux traverse les deux enroulements). Son rendement est donc de 100%. Figure 2 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 1 Si on fait rentrer un courant par les bornes homologues, il apparaît une f.é.m. telle que la bobine se comporte comme un générateur. Toutes les pertes sont négligées : le flux traverse donc les deux bobinages ainsi : V N d d et v2 e2 N 2 2 2 v1 e1 N1 V1 N1 dt dt e1 N1 e2 N 2 d dt i1 i2 v1 v2 Figure 3 V2 mV1 Donc : d dt V2 N 2 avec V2 et V1, tensions efficaces au primaire et au secondaire et V1 N1 N1 et N2, nombres de spires au primaire et au secondaire. Rapport de transformation m Relation de Boucherot : Si on suppose que le champ est sinusoïdal alors : b(t ) Bˆ sin t , donc : v1 N1 d SBˆ sin t N 2 f 1 dt SBˆ cos t V1 2 soit : V1 2 2 et ˆ N1 fBS ˆ V2 4, 44 N2 fBS avec f : fréquence (Hz); B max : valeur maximale du champ magnétique (T) 2 S : section du circuit magnétique (m ) 4,44 Relation sur les courants : Si on applique le théorème d’Ampère sur le contour parcouru par le flux C alors : N1i1 N2i2 0 et si on considère la perméabilité du matériau très grande : µS N2 i 1 N1 i2 donc : On a donc en valeur efficace : m et N2i2 N1i1 I1 mI2 . V20 N 2 I1N V1N N1 I 2 N Figure 4 Transfert d'impédance Si l'on considère un transformateur parfait, avec une charge d'impédance Z2 = R2 +jX2 branchée au secondaire, on démontre que tout se passe comme si une impédance Z’ était branchée directement aux bornes du primaire, 2 Z' telle que : Z m2 On dit que la charge du secondaire a été ramenée au secondaire. De même, une charge branchée au primaire serait ramenée vers le secondaire, à l'aide de la relation suivante : Z '' m2 Z 1 Le transformateur joue alors le rôle d'adaptateur d'impédance. Bilan des puissances : P1 = V1.I1.cos1 = P2 = V2.I2.cos 2 Q1 = Q2 = V2.I2.sin 2 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 1 = 2 S1 = V1.I1= V2.I2= S2 2 3. Le transformateur réel 3.a. Transformateur à vide Le transformateur n'est connecté à aucune charge au secondaire, il se comporte tel une bobine à noyau de fer. L’équation des flux donne : 10 C 0 f 1 v1 ri 1 10 N1 d f 1 C 0 d1 ri 1 10 N1 dt dt Ni d 1 10 d v1 r1i10 N1 air N1 C 0 dt dt v1 ri 1 10 f1 N12 air di10 d N1 C 0 dt dt Figure 5 V10 Si l’on considère le courant sinusoïdal, ce qui n’est en toute rigueur pas le cas, on peut passer aux grandeurs complexes. I10 jN1C 0 V1 R1 I10 j f1 avec R1 est la résistance interne de la bobine primaire, f1 E10 jN1C 0 et E20 jN 2 C 0 est l’inductance de fuite primaire, Lµ est l’inductance magnétisante, Rf est la résistance fictive représentant les pertes fer. Figure 6 Figure 7 A vide le transformateur absorbe P10 R1 I102 2 10 E Rµ avec R1 I102 : pertes Joules de l'enroulement primaire 2 E10 2 R Rµ I µA : pertes fer du circuit magnétique µ qui mesuré est égal à P10 V1I10 cos 10 . Q10 I102 f1 2 10 E Lµ avec f 1I102 : puissance réactive de fuite dans l'enroulement primaire 2 E10 2 L Lµ I µR : puissance magnétisante du circuit magnétique µ qui mesuré est égal à Q10 V1I10 sin 10 . _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 3 3.b. Transformateur en charge Le transformateur est connecté au secondaire à une charge d'impédance telle que : Z2 = R2 +jX2 et cos 2. Figure 8 Equations : Primaire Secondaire 1 f 1 C 2 f 2 C En convention récepteur En convention générateur Flux totaux Tensions v1 R1i1 N1 v1 R1i1 N1 f1 Flux de fuite d1 dt d f 1 dt v2 R2i2 N 2 N1 dC dt Ni N1i1 et C 1 1 fer air d di v1 R1i1 f 1 1 N1 C dt dt Tensions et f.e.m. v2 R2i2 N 2 f 2 N 2i2 air 2 dt fer dt et v2 R2i2 f 2 e1 avec e N dC N1 di1 1 1 d 2 dt d f 2 dt N2 C dC dt N 2i2 fer d di2 N2 C dt dt e2 avec e N 2 2 Lm dC N 2 di2 2 dt fer dt Lm Si l’on ne néglige pas la force magnétomotrice , le bilan des d’ampères tours donne : N1i1 N2i2 . On peut alors identifier un courant que l'on trouve d'ailleurs à vide (le courant secondaire tant nul i = i10) N1i1 N 2i2 N1iµ , soit en complexe N1 I1 N 2 I2 N1 I µ , et donc : I1 mI2 I µ Schéma équivalent : Figure 9 On remarque alors que le rapport de transformation est : m _______________________ A. Mechernene & M. Loucif V2 N 2 V1 N1 4 D'où le diagramme vectoriel suivant : Figure 10 3.c. Transformateur dans l'hypothèse de Kapp Selon l'hypothèse de Kapp, le courant i = i10 peut être négligé, lorsque le transformateur fonctionne au voisinage de sa charge nominale, ce qui a pour conséquence N1 I1 N2 I2 0 et : I 0 I1 mI2 L'approximation ainsi faite revient à considérer le schéma équivalent suivant : Figure 11 Schéma équivalent ramené au secondaire : Le schéma équivalent vue du secondaire par la charge est obtenu en transférant les impédances du primaire vers le secondaire. Pour ramener les impédances R1 et f1 au secondaire, il suffit d'exprimer V2 qu'en fonction des grandeurs du secondaire, on obtient alors : V2 V20 m2 R1 r2 j m 2 R2 f 1 f 2 I2 L2 Cela fait apparaître deux impédances, la résistance et la réactance totales vues du secondaire : RS m2 R1 R2 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif et X S LS m 2 f1 f2 5 Figure 12 Détermination des paramètres du modèle ramené au secondaire Les valeurs des différents paramètres sont déterminées expérimentalement à l'aide d'un essai à vide sous tension nominale et d'un essai en court-circuit à courant nominal sous tension réduite. - Essai à vide sous tension nominale : On en déduit : V20 V10 le rapport de transformation : m les pertes fer : Pfer P10 R1I102 P10 la résistance correspondant aux pertes fer : Rµ l'inductance de magnétisation : X µ Lµ V102 Pfer V102 Q10 - Essai en court-circuit à courant nominal sous tension réduite : On en déduit : les pertes joules nominales : PjN P1cc la résistance totale vue du secondaire : Rs l'impédance totale vue du secondaire : Zs m la réactance totale vue du secondaire : X S LS P1cc I 22cc V1cc I 2cc Q1CC Z s2 RS2 2 I 2CC Chute de tension Son expression est donnée par la relation : V2 V20 V2 , elle peut être prédéterminer à l’aide de la formule approchée (solution algébrique) ou par la construction du diagramme de Kapp (solution graphique). - Formule approchée : Le schéma équivalent vue du secondaire sous l’hypothèse de Kapp permet d’écrire : V 20 mV 1 V 2 Rs I 2 jX s I 2 La figure ci-contre montre le diagramme vectoriel correspondant à cette relation avec I2 à l’origine des phases. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Figure 13 6 V20 cos V2 Rs I 2 cos 2 X s I 2 sin 2 En projetant sur l’axe origine des phases : Donc : V2 V20 V2 V2 RS I 2 cos 2 X S I 2 sin 2 V2 cos On obtient : et comme l’angle est faible donc : cos 1 V2 V20 V2 RS I 2 cos 2 X S I 2 sin 2 Il est commode d’indiquer la chute de tension pour le courant nominal par un pourcentage de la tension à vide : V 100 V V V2 100 20 2 V2 V2 Sachant que l’impédance du transformateur ramenée au secondaire est : Z s Z s .e jcc avec cc arctg X s Rs l’expression de la chute de tension peut être alors réécrite sus la forme : V2 Zs I 2 cos 2 cc - Diagramme de Kapp : Les données sont : V1 , m, Rs , X s , I 2 et 2 , l’objectif est de déterminer la tension V2 , puis V2 * Etapes de construction : - On choisit une échelle en fonction de V2 , - On trace I 2 sur l’axe horizontal choisit comme origine des phases, On trace un arc de cercle de centre O et de rayon V20 mV1 , - On trace (OA) Rs I 2 , - On trace (AB) (OA) tel que (AB) X s I 2 , - On trace une droite () passant par B et faisant un angle 2 avec l’horizontale, - V2 sera donnée par le segment [BC] prise à l’échelle V2 BC . Figure 14 En conclusion la chute de tension que l’on observe en charge peut être déterminée par la connaissance de la charge (2), des éléments R2 et X2 déterminés lors de l’essai en court-circuit et de la phase cc obtenue par ce même essai. 3.d. Bilan des puissances et rendement La valeur du rendement est déterminée soit : - par la méthode directe par un essai en charge, - par la méthode des pertes séparées (essai à vide et en court-circuit). _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 7 par la méthode des pertes séparées : essai à vide et en court-circuit, par la méthode directe par un essai en charge. La figure ci-dessous montre les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge d’un transformateur monophasé. Figure 14 Le rendement est calculé par la relation suivante : P2 P2 V2 I 2 cos 2 P1 P2 Pj Pfer V2 I 2 cos 2 RS I 22 Pfer Figure 15 Il dépend pratiquement du courant suivant une loi de la forme : Cette fonction admet un maximum lorsque : P2 P1 V2 cos 2 RS I 2 Pfer I2 Pfer Pjoules RS I 22 Puopt Le rendement maximum vaudra donc : lorsque le courant I2 vaut : I 2 opt _______________________ A. Mechernene & M. Loucif V2 cos 2 Puopt 2 P10 Pfer Rs 8 TP 01-a TRANSFORMATEUR MONOPHASE ESSAIS DIRECTS I. Objectifs - Etudier les fonctionnements à vide et en charge d’un transformateur monophasé. - Déterminer les différents paramètres du schéma équivalent à vide. - Déterminer les caractéristiques externe de tension et de rendement à l’aide de la méthode directe. II. Préparation 1. Quel est l’intérêt des essais directs d’un transformateur ? 2. Que représentent les puissances active et réactive absorbées à vide par un transformateur ? 3. Donner et commenter l’ordre de grandeur du facteur de puissance à vide. 4. Citer les grandeurs ayant une influence sur la valeur des pertes magnétiques lors des fonctionnements à vide et en charge d’un transformateur 5. Donner et commenter les allures des caractéristiques externes de tension U2 = f (I2 ) et de rendement η = f (I2 ) d’un transformateur. III. Identification de la machine étudiée III.1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique du transformateur étudié. - A partir de ces indications, déterminer les valeurs nominales des tensions U1N , U2N et des courants I1N , I2N . - Identifier les différents enroulements sur la plaque à bornes et vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements primaire et secondaire. III.2. Résistances des enroulements - Pour la mesure des résistances des enroulements primaire et secondaire, on utilisera la méthode voltampèremétrique, avec une alimentation en courant continu, en se plaçant le plus près possible des conditions nominales d’utilisation (I1N et I2N ). Proposer un schéma de montage pour chaque enroulement. - Réaliser trois mesures pour chacun des enroulements autour des courants nominaux respectifs (On considérera la résistance d’un enroulement comme la moyenne des mesures). - On considérera que les enroulements sont en fils de cuivre, que la température ambiante est de 20 ◦ C et que la température de travail des enroulements est égale à 60 ◦ C. Déterminer les valeurs des résistances à chaud. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 9 IV. Essai à vide Il s’agit d’étudier, à l’aide d’un essai à vide sous différentes tensions primaires, le comportement du transformateur sans charge et de mettre en évidence les évolutions du rapport de transformation, des pertes fer, du courant primaire et du facteur de puissance. IV.1. Schéma de montage Pour cet essai, le wattmètre mesurant la puissance active, est branché en amont ; de même le transformateur présentant généralement à vide une impédance apparente élevée, l’utilisation du montage amont est conseillée pour le voltmètre et l’ampèremètre. IV.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Agir sur l’alimentation pour faire varier la valeur efficace de la tension primaire U10 entre 0 et 1,20.U1N ; mesurer pour six à huit points de fonctionnement les valeurs des grandeurs : U10 , U20 , I10 et P10 . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous et effectuer les calculs demandés. Essai à vide : U10 U20 I10 P10 V V A W m0 Pj10 Pf cosϕ10 / W W / I20 = 0 Ampère Mesures f = 50 Hz Calculs IV.3. Exploitation des résultats - Tracer les caractéristiques U20 = f (U10 ), Pf = f (U10 ), I10 = f (U10 ), cosϕ10 = f (U10 ) et commenter leur allure. - Déduire graphiquement la valeur m0 du rapport de transformation et montrer que les pertes joules à vide Pj10 sont négligeables devant P10 . 2 , le - Montrer que l’on peut décrire la caractéristique Pf er = f (U10 ) par la relation Pf er = k1 .U10 coefficient k1 étant une constante que l’on déterminera. Quelle conséquence peut-on en tirer ? - Pourquoi l’allure de la caractéristique I10 = f (U10 ) a t-elle l’allure d’une courbe d’aimantation ? _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 10 - Au regard de ces caractéristiques, donner une première raison de ne pas faire fonctionner un transformateur à vide. - Pour la tension nominale primaire U10 = U1N , donner les valeurs du rapport de transformation m0 , des pertes fer Pf , des intensités des courants actif I10a et réactif (courant magnétisant) I10r . - Déterminer la valeur de la puissance réactive Q10 et du facteur de puissance cosϕ10N . - Calculer la valeur du rapport (I10 /I1N ) en % et commenter son ordre de grandeur. - Déduire les valeurs des éléments du schéma équivalent à vide, soit la résistance fictive Rf , associée aux pertes fer, la réactance Xm = Lm .ω et son inductance magnétisante Lm correspondante. - Complétez le tableau de mesure ci-dessous : m0 / Fonctionnement à vide : U10 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz I10 I10 /I1N I10a I10r Pf cosϕ10N Rf Xm A % A A W / Ω Ω Lm H V. Essai en charge Il s’agit d’étudier, sous la tension primaire nominale et en fonction du courant débité par le secondaire, le comportement en charge du transformateur et de mettre en évidence l’évolution de la tension secondaire et du rendement sous différentes types de charge (résistive, inductive ou capacitive). V.1. Schéma de montage On utilisera, de préférence des appareils ferromagnétiques ou numériques de type RMS, les courants n’étant pas vraiment sinusoı̈daux lorsqu’un transformateur travaille avec son circuit magnétique saturé. Pour ce travail, l’essai en charge sera effectué pour une charge purement résistive (cosϕ2 = 1). V.2. Mode opératoire - Brancher au secondaire du transformateur une charge résistive et faire vérifier le montage. - Régler la tension primaire à sa valeur nominale U1 = U1N , cette tension devra impérativement être maintenue constante pendant tout l’essai. - Agir sur la charge pour faire varier l’intensité du courant au secondaire entre 0 et 1, 20.I2N ; mesurer, pour six à huit points de fonctionnement, les valeurs des grandeurs : I2 , U2 , I1 , P1 et P2 . _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 11 - Pour le régime nominal, relever l’intensité I2N , la valeur efficace de la tension secondaire U2N et les valeurs des puissances P1 et P2 . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous et effectuer les calculs demandés. Essai en charge: U1 = U1N = . . . V cosϕ2 = . . . Mesures U2 V I1 A I2 A P1 W P2 W Calculs ∆U2 V δU2 % cosϕ1 / ηdir % Pj1 W Pj2 W Pjt W Pf = . . . W f = 50 Hz V.3. Exploitation des résultats - Pour U1 = U1N et cosϕ2 = 1, tracer et commenter l’allure des caractéristiques suivantes : - caractéristique externe : U2 = f (I2 ) ; caractéristiques de chute de tension : ∆U2 = f (I2 ) et δU2 = f (I2 ) ; caractéristiques des facteurs de puissance : cosϕ1 = f (I1 ) et cosϕ1 = f (I2 ) ; caractéristique de rendement : ηdir = f (I2 ). - Au regard de ces caractéristiques, donner une seconde raison de ne pas faire fonctionner un transformateur à vide ou avec une trop faible charge. - Montrer que l’on peut décrire la caractéristique Pjt = f (I2 ) par la relation : Pjt = k2 .I22 ; le coefficient k2 étant une constante que l’on déterminera ; que représente ce coefficient ? - Tracer les caractéristiques de rendement ηdir = f (I2 ) et de pertes, Pjt = f (I2 ) et Pf = f (I2 ), sur un même repère. - Pour quelle condition la valeur du rendement est-elle maximale ? En déduire la valeur maximale du rendement ηbdir et l’intensité I2b η correspondante. - Comparer l’intensité du courant I2b η avec celle du courant nominal secondaire. - Calculer les valeurs des puissances apparentes primaire S1N et secondaire S2N . Quelle conclusion peut-on en tirer ? - Pour le régime nominal, compléter le tableau de mesure ci-dessous : U2N V Fonctionnement nominal : U1 = U1N = . . . Volts I1N I2N ∆U2N δU2N A A V % f = 50 Hz cosϕ2 = . . . SN cosϕ1N ηdirN VA / % - Comparer les résultats obtenus avec les indications données sur la plaque signalétique. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 12 TP 01-b TRANSFORMATEUR MONOPHASE ESSAIS INDIRECTS I. Objectifs - Déterminer les différents paramètres du schéma équivalent d’un transformateur monophasé à l’aide d’un essai à vide et d’un essai en court- circuit. - Prédéterminer les caractéristiques externe de tension et de rendement à l’aide de la méthode des pertes séparées. II. Préparation 1. Quel est l’intérêt des essais indirects d’un transformateur. 2. Que représente la puissance absorbée à vide par un transformateur sous sa tension nominale ? 3. Que représente la puissance absorbée en court-circuit par un transformateur en présence des courant nominaux ? 4. Citer l’hypothèse simplificatrice de Kapp ; quelle est la conséquence de cette hypothèse ? 5. Quel est l’intérêt de la méthode des pertes séparées pour la détermination du rendement d’un transformateur ; donner brièvement son principe. III. Identification de la machine étudiée La machine étudiée devra être la même que celle expérimentée lors du TP 01-a concernant les essais directs du transformateur monophasé. III.1. Plaque signalétique - Rappeler les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique du transformateur étudié. - Identifier les différents enroulements sur la plaque à bornes et vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements primaire et secondaire. III.2. Mesure des résistances - Rappeler les valeurs des résistances, à froid et à chaud, des enroulements primaire et secondaire. IV. Essai à vide Il s’agit d’étudier, à l’aide d’un essai à vide, sous tension primaire nominale, le rapport de transformation du transformateur et ses pertes fer. - Rappeler les valeurs du rapport de transformation m0 et des pertes fer Pf relevées sous la tension nominale lors de l’essai à vide effectué lors du TP 01a. - Dans le cas où l’essai à vide aurait été réalisé sous une tension primaire différente de la tension nominale, comment déterminer alors la valeur nominale des pertes fer ? _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 13 V. Essai en court-circuit sous tension réduite Il s’agit ici d’abord de déterminer, à l’aide d’un essai en court-circuit sous tension réduite, les paramètres du schéma équivalent ramené au secondaire, puis d’évaluer les pertes joules nominales. V.1. Schéma de montage Cet essai doit être réalisé avec prudence : Un court-circuit sous une tension primaire proche de sa valeur nominale amènerait le transformateur a être parcouru par des courants très important, tant au niveau du primaire que du secondaire. La conséquence serait alors la destruction du transformateur et des appareils de mesure. On admettra que la résistance interne de l’ampèremètre mesurant I2cc est nulle, et donc la présence d’un court-circuit franc au secondaire. V.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Vérifier que la tension d’alimentation primaire est nulle (U1 = U1cc = 0). - Agir sur l’alimentation pour faire varier la tension primaire depuis U1cc = 0 Volt, jusqu’à atteindre I1cc ≈ 1, 2.I1N et I2cc ≈ 1, 2.I2N ; mesurer pour six à huit points de fonctionnement les valeurs des grandeurs : U1cc , I1cc , P1cc et I2cc . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous et effectuer les calculs demandés : Essai en court-circuit : U1cc I1cc I2cc P1cc U2 = 0 Volt Mesures f = 50 Hz V A V W Calculs mcc [P1cc ]cal Rs Zs Xs mcc = I1cc I2cc / W Ω Ω Ω (Rapport des courants primaire et secondaire de court-circuit) 2 + R .I 2 (Pertes joules en court-circuit obtenues par le calcul) [P1cc ]cal = R1 .I1cc 2 2cc _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 14 V.3. Exploitation des résultats - Tracer la caractéristique I1cc = f (I2cc ), en déduire la valeur du rapport mcc ; que peut-on dire de ce rapport lors du fonctionnement en court-circuit ? Comparer sa valeur avec celle de m0 - Tracer la caractéristique U1cc = f (I2cc ) ; commenter son allure. Quelle conséquence pratique peut-on en tirer ? - Vérifier que la puissance absorbée lors de cet essai correspond essentiellement à de l’effet Joule dans les enroulements en comparant les valeurs de P1cc et [P1cc ]cal calculé. - Tracer la caractéristique P1cc = f (I2cc ) ; commenter son allure. 2 . Le coefficient - Montrer que l’on peut décrire la courbe P1cc = f (I2cc ) par la relation P1cc = k1 .I2cc k1 étant une constante que l’on déterminera ; que représente ce coefficient ? - Déterminer la valeur de la résistance équivalente Rs ramenée au secondaire ; comparer cette valeur à celle obtenue par le calcul à partir des résistances mesurées, puis avec la valeur du coefficients k1 . - Déterminer les valeurs de l’impédance Zs et de la réactance Xs totales ramenées au secondaire. VI. Prédétermination des caractéristiques VI.1. Caractéristiques de tension Il s’agit de prédéterminer la caractéristique externe de tension U2 = f (I2 ) et les caractéristiques de chute de tension ∆U2 = f (I2 ) et δU2 = f (I2 ) à l’aide des paramètres du schéma équivalent du transformateur, pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive cosϕ2 =1. - Tracer un diagramme de Kapp unique, pour six valeurs de l’intensité du courant au secondaire comprises entre 0 et 1,20.I2N . - Déterminer les valeurs de la tension secondaire U2 , pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive. En déduire les valeurs des chutes de tension ∆U2 et δU2 . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Prédétermination des caractéristiques de tension U1 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz cosϕ2 = . . . I2 A U2 V ∆U2 V δU2 % avec : ∆U2 = U20 − U2 et 2 δU2 = 100. ∆U U2 - Tracer les caractéristiques externe de tension et de chute de tension. - Comparer les caractéristiques prédéterminées à l’aide des essais indirects avec celles obtenues par l’essai en charge effectué lors du TP 01-a. - Pour l’intensité nominale au secondaire I2N , calculer à l’aide de la formule approchée les valeurs des chutes de tension. Comparer ces valeurs avec celles obtenues avec le diagramme de Kapp. - Conclure sur la validité de l’approximation de Kapp et sur la précision de son diagramme vectoriel. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 15 VI.2. Caractéristique de rendement Il s’agit de prédéterminer, la caractéristique de rendement du transformateur ηsep = f (I2 ) à l’aide de la méthode des pertes séparées, pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive. - Déterminer, dans le cas des six courants secondaires considérés, les valeurs des pertes joules totales Pjt et de la puissance utile P2 délivrée par le transformateur, pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive. - En déduire les valeurs du rendement ηsep du transformateur. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Prédétermination de la caractéristique de rendement U1 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz cosϕ2 = . . . Pf = . . . I2 A U2 V Pjt W P2 W ηsep % avec : ηsep = P2 P2 +Pjt +Pf - Tracer la caractéristique de rendement. - Déterminer graphiquement la valeur ηbsep du rendement maximal et l’intensité I2b ηsep du courant secondaire correspondante. - Comparer la caractéristique de rendement et la valeur maximale du rendement prédéterminées à l’aide des essais indirects et la méthode des pertes séparées avec les résultats obtenus par la méthode directe et l’essai en charge effectué lors du TP 01-a. - Calculer la valeur de la puissance apparente nominale SN du transformateur. - Pour le régime nominal, compléter le tableau de mesure ci-dessous : Fonctionnement nominal : U1 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz U2N I1N I2N ∆U2N δU2N SN cosϕ1N PjN V A A V % VA / W cosϕ2 = . . . Pf N ηsepN W % - Comparer les résultats obtenus à l’aide des essais indirects avec les indications données sur la plaque signalétique. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 16 - Pour le régime nominal, relever l’intensité I2N , la valeur efficace de la tension secondaire U2N et les valeurs des puissances P1 et P2 . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous et effectuer les calculs demandés. Essai en charge: U1 = U1N = . . . V cosϕ2 = . . . Mesures U2 V I1 A I2 A P1 W P2 W Calculs ∆U2 V δU2 % cosϕ1 / ηdir % Pj1 W Pj2 W Pjt W Pf = . . . W f = 50 Hz V.3. Exploitation des résultats - Pour U1 = U1N et cosϕ2 = 1, tracer et commenter l’allure des caractéristiques suivantes : - caractéristique externe : U2 = f (I2 ) ; caractéristiques de chute de tension : ∆U2 = f (I2 ) et δU2 = f (I2 ) ; caractéristiques des facteurs de puissance : cosϕ1 = f (I1 ) et cosϕ1 = f (I2 ) ; caractéristique de rendement : ηdir = f (I2 ). - Au regard de ces caractéristiques, donner une seconde raison de ne pas faire fonctionner un transformateur à vide ou avec une trop faible charge. - Montrer que l’on peut décrire la caractéristique Pjt = f (I2 ) par la relation : Pjt = k2 .I22 ; le coefficient k2 étant une constante que l’on déterminera ; que représente ce coefficient ? - Tracer les caractéristiques de rendement ηdir = f (I2 ) et de pertes, Pjt = f (I2 ) et Pf = f (I2 ), sur un même repère. - Pour quelle condition la valeur du rendement est-elle maximale ? En déduire la valeur maximale du rendement ηbdir et l’intensité I2b η correspondante. - Comparer l’intensité du courant I2b η avec celle du courant nominal secondaire. - Calculer les valeurs des puissances apparentes primaire S1N et secondaire S2N . Quelle conclusion peut-on en tirer ? - Pour le régime nominal, compléter le tableau de mesure ci-dessous : U2N V Fonctionnement nominal : U1 = U1N = . . . Volts I1N I2N ∆U2N δU2N A A V % f = 50 Hz cosϕ2 = . . . SN cosϕ1N ηdirN VA / % - Comparer les résultats obtenus avec les indications données sur la plaque signalétique. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 17 THEME 2 TRANSFORMATEUR TRIPHASE Rappel théorique TP 02-a : Couplage des enroulements et indice horaire TP 02-b : Transformateur triphasé - Essais directs et indirects Complément théorique 2 TRANSFORMATEUR TRIPHASE 1. Présentation Les transformateurs triphasés sont constitués de trois principales parties : le circuit magnétique, les enroulements, la cuve. le circuit magnétique, il est feuilleté pour réduire les pertes magnétiques ; les enroulements et les éléments permettant de les raccorder aux réseaux HT et BT ; la cuve qui a pour fonction de supporter l’ensemble et protéger les enroulements. Figure 1 Ils sont installés dans les centrales, les postes d'interconnexion et de distribution, sur les poteaux et dans les zones de distribution. On peut considérer pour son principe de fonctionnement qu'un transformateur triphasé est équivalent à trois transformateurs monophasés. 2. Couplages des enroulements Les enroulements primaires et secondaires peuvent être couplés en étoile ou en triangle. Il existe une troisième variante appelé zig-zag, consistant à diviser les trois bobines d’un enroulement en six. Pour constituer une phase, on met en série deux demi-bobines prises sur des colonnes différentes en sens inverse. Ce couplage n’a pas d’intérêt au primaire. Figure 2 Afin de caractériser d’une manière conventionnelle les couplages des transformateurs triphasés, le primaire est désigné par une lettre majuscule et le secondaire par une lettre minuscule. Les lettres employées sont les suivantes : - Y : couplage étoile primaire ; - y : couplage étoile secondaire ; - D : couplage triangle primaire ; - d : couplage triangle secondaire ; - Z : couplage zig-zag primaire ; - z : couplage zig-zag secondaire. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 18 L’association d’un mode de connexion du primaire avec un mode de connexion du secondaire caractérise le couplage du transformateur (Yz par exemple). Les couplages usuels sont : La présence du neutre dans les installations basse tension permet d’obtenir 2 types de tension : simple pour les usages domestiques usuels ou composée pour l’alimentation des petits moteurs. Il est intéressant en haute tension d’avoir un couplage qui fait apparaître le neutre. Le neutre, les parties métalliques et magnétiques sont mises au potentiel de la terre ce qui réduit l’isolement des bobines haute tension. On évite d’avoir le même couplage au primaire et au secondaire pour ne pas transmettre intégralement le déséquilibre éventuel des courants. Sin le neutre est nécessaire des deux côtés alors le montage Yz ou Zy est alors communément employé. Notations : Une ligne correspond aux enroulements sur un noyau. A, B, C sont les bornes hautes tension et a, b, c les bornes basses tension. Ces bornes correspondent aux bornes homologues. On suppose les enroulements bobinés dans le même sens, ainsi les tensions VA et Va sont en phases Le rapport de transformation vu en monophasé est ici appelé rapport de transformation interne noté : N V m 2 20 N1 V10 Figure 3 est égal au rapport du nombre de spires d'une bobine du secondaire sur le nombre de spires de la bobine homologue primaire, ou du rapport de la tension apparaissant aux bornes d'une bobine secondaire sur la tension aux bornes de la bobine homologue primaire. Le rapport de transformation ou rapport de transformation externe est égal au rapport de la tension composée secondaire sur la tension composée primaire, on le note : M U2 U1 Indice horaire : Les différents couplages peuvent induire un déphasage entre les tensions homologues primaire et secondaire, c’est à dire apparaissant entre les bornes désignées par des mêmes lettres, ce déphasage est toujours un multiple de 30°. On définit l’indice horaire par un nombre entier compris entre 0 et 11 caractérisant le déphasage des tensions primaire et secondaire homologues. Il est défini comme par analogie avec les divisions d’un cadran de montre à aiguille, on parle alors d’indice horaire du transformateur. I 30 I 0 I 11 La détermination du groupe horaire s’effectue comme suit, en supposant que A, B, C désignent les bornes des enroulements reliées aux phases du réseau primaire : alors que a, b, c sont celles reliées aux phases du réseau secondaire. Les bornes homologues étant repérées par un point, on dispose au centre d’un cadran les vecteurs correspondant aux tensions primaire et secondaire de façon à placer la borne A à 12 heures (chiffre zéro). Le groupe horaire est fourni par l’heure de la borne a. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 19 Exemples : - Couplage Yy Le transformateur est donc désigné de Yy0. Figure 4 - Couplage Dy Le transformateur est donc désigné de Dy11. Figure 5 En pratique, on peut aisément modifier l'indice horaire d'un transformateur en effectuant une permutation circulaire des lettres affectées aux bornes : Toute permutation correspond à une augmentation ou à une diminution de 4 de la valeur de l'indice horaire. On pourra donc coupler en parallèle sans difficulté des transformateurs dont les indices diffèrent de ±4. Le tableau ci-dessous donne les principaux couplages des transformateurs triphasés. Symbole Van/VAN Montage Diagramme Vectoriel N1 Yy 0 N2 N1 N2 A a B b C c N n Va=Van VC Yd 1 N2 A a B b C c N n Yz 11 B b C c N n N2 N1 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif /6 n VC VB Vc Vb N2/2 VAN VA 2Van 3 N2 2 N1 3 UAB N -Vb Va /6 n N VC N1 Dy 11 VA Vb Va=Uab N2/2 a Vc VB UAB N1 A n N N1 N2 3 N1 VA=VAN N2 A a B b C c N n VB Vc Vb UAB VA=UAB Uab -Vb Va /6 n N VC VB Vc Vb 20 N1 Dd 0 N2 N1 N1/2 A a B b C c N n 2 N2 3 N1 VA VC c N n Va n VB Vc Vb 2UAN VA Uab 2VAN b C -Vb N a B Uab UAB N2 N1/2 A Zy 1 UAB N2 Va=Van /6 n N VC VB Vc Vb 3. Modélisation On raisonne comme si le transformateur triphasé était composé de trois transformateurs monophasés, où le secondaire serait monté en étoile. On utilise alors le modèle du transformateur monophasé pour lequel la résistance et l’inductance de fuite primaires sont ramenées au secondaire. Le modèle ci-dessous est celui de la phase A. Les tensions secondaires Va , Vb , Vc sont modifiées lorsque le transformateur est chargé. Pour la phase a, on considère la tension à vide phase neutre V20 ce qui permet de faire intervenir l’indice horaire. V20 mV1 e j avec VA ,Va 0 2 I 6 donc : V20 m e jI 6 V1 Figure 6 Les valeurs des différents paramètres sont déterminées expérimentalement à l'aide d'un essai à vide sous tension nominale et d'un essai en court-circuit à courant nominal sous tension réduite. Diagramme de Kapp « amplifié » : Dans les transformateurs de bonne qualité, particulièrement les transformateurs triphasés, la chute de tension U 2 U 20 U 2 peut être très petite devant la tension secondaire. Et donc, le tracé du diagramme vectoriel devient laborieux et délivre des résultats erronées. Dans ce cas, il est préférable de tracer une version amplifiée du diagramme de Kapp. En première approximation, V2 et mV1 peuvent être considérées comme parallèles, un zoom autour du triangle de Kapp. On constate alors que : V2 OH = OK + KH = OK LM soit encore : V2 OLcos 2 + ALsin 2 Ainsi, la valeur de V2 aura en charge une valeur efficace de valeur : V2 V20 V2 mV1 V2 RsI 2 cos 2 X s I 2 sin 2 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 21 Figure 7 Enfin, la tension entre phase sera obtenue, selon le couplage des enroulements secondaire, par : U 2 V2 3 pour le couplage étoile ou U 2 V2 pour le couplage triangle 4. Bilan des puissances et rendement La valeur du rendement est déterminée comme pour un transformateur triphasé, soit : - par la méthode directe par un essai en charge, - par la méthode des pertes séparées (essai à vide et en court-circuit). par la méthode des pertes séparées : essai à vide et en court-circuit, par la méthode directe par un essai en charge. La figure ci-dessous montre les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge d’un transformateur triphasé. Figure 8 Le rendement est calculé par la relation suivante : P2 3U 2 I 2 cos 2 P1 3U 2 I 2 cos 2 3Rs I 22 Pfer _______________________ A. Mechernene & M. Loucif P2 P2 P1 P2 PJ Pfer 3U 2 cos 2 3U 2 cos 2 3RS I 2 Pfer I2 22 5. Marche en parallèle des transformateurs La puissance transmise par une centrale au réseau évolue au cours du temps en fonction de la consommation. Un transformateur unique qui est capable de transmettre la pointe maximale de consommation serait en général utilisé très en-dessous de son fonctionnement nominal, avec un rendement médiocre ou mauvais. On préfère disposer de plusieurs transformateurs de moindre puissance fonctionnant en parallèle afin qu'ils soient toujours au voisinage de leurs conditions nominales de marche. Conditions de couplage en parallèle : Les conditions nécessaires au couplage de deux transformateurs triphasés : 1. Les transformateurs doivent être alimentés sous la même tension ; 2. Les rapports de transformations à vide doivent être identiques afin d'assurer une égalité des tensions secondaires et ainsi éviter tout courant de circulation entre enroulements ; 3. Les tensions de court-circuit égales (il est admis une tolérance de +/-10%) ; 4. Mêmes indices horaires de couplage ou indices compatibles. Seule la quatrième condition est absolument impérative, les autres acceptent certaines tolérances fixées par les normes ou la pratique. Les écarts entrainent cependant des courants de circulation et une répartition défavorable des puissances transitant par les transformateurs. De plus, pour avoir une répartition correcte des puissances entre les 2 transformateurs en charge, il faut aussi qu’ils aient la même chute de tension donc pratiquement la même tension de court -circuit. Deux transformateurs d’un même groupe (et de même rapport) peuvent aisément fonctionner en parallèle. De plus, pour répartir la puissance totale entre plusieurs transformateurs, alimentés par un même réseau et débitant sur un même circuit d'utilisation, le rapport des puissances nominales des transformateurs doit être compris entre 0,5 et 2, ceci afin que la répartition des charges soit acceptable. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 23 TP 02-a TRANSFORMATEUR TRIPHASE COUPLAGE DES ENROULEMENTS ET INDICE HORAIRE I. Objectifs - Déterminer expérimentalement les valeurs du rapport de transformation d’un transformateur triphasé pour différents couplages de ses enroulements. - Déterminer expérimentalement les valeurs de son indice horaire pour différents couplages de ses enroulements, par la méthode impulsionnelle et la méthode des électriciens. II. Préparation - Citer les avantages et les inconvénients de chacun des couplages dans le cas des transformateurs triphasés. Dans quels cas, est-il intéressant d’utiliser le couplage zig-zag ? - Donner les expressions des rapport de transformation, par colonne et globaux, des transformateurs suivants : Yy, Yd, Yz. - Quelles sont les conditions de couplage en parallèle de deux transformateurs triphasés ? - Rappeler la définition de l’indice horaire. Pourquoi la connaissance de sa valeur est-elle primordiale pour pouvoir coupler deux transformateurs triphasé en parallèle ? - Déterminer la valeur des indices horaires des transformateurs représentés ci-dessous. III. Identification de la machine étudiée - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique du transformateur étudié. - A partir de ces indications, déterminer les valeurs nominales des tensions U1N , U2N et des courants I1N , I2N pour chacun des couplages décrit sur la figure ci-dessus. - Identifier les différents enroulements sur la plaque à bornes et vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des différents enroulements. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 24 IV. Etude du couplage Etoile-Etoile (Yy) IV.1. Détermination du rapport de transformation - Réaliser et faire vérifier le montage pour le couplage Yy des enroulements du transformateur. - Alimenter l’enroulement primaire sous une tension triphasée de telle sorte que U1 = U1N . - Mesurer les valeurs des tensions primaires UAB et VA et des tensions secondaires Uab et Va . - Calculer les valeurs des rapports de transformation par colonne m0 et global M0 . IV.2. Détermination de l’indice horaire par la méthode impulsionnelle - Débrancher la source de tension triphasé et conserver le couplage Yy. - Brancher une alimentation stabilisée entre les bornes A et B du primaire et connecter un voltmètre successivement entre les bornes ab, ac, puis cb du secondaire. - Fixer la tension de l’alimentation stabilisée à environ 1 Volt, puis envoyer une impulsion sur le primaire au niveau des bornes A et B. - Observer les déviations du voltmètre au secondaire au niveau des bornes ab, ac et cb. - Déterminer la valeur de l’indice horaire du transformateur. IV.3. Détermination de l’indice horaire par la méthode des électriciens - Brancher l’enroulement primaire du transformateur à la source d’alimentation triphasé. - Alimenter l’enroulement primaire sous une tension triphasée de telle sorte que UAB = 50 Volts. - Raccorder le neutre du primaire avec celui de secondaire. - Mesurer la valeur des tensions Va , UaA , UaB et UaC . - Tracer le diagramme vectoriel des tensions. - Déterminer la valeur de l’indice horaire du transformateur. Pour ce type de couplage, il s’agit de déterminer la tension Va , puis de déduire la valeur du déphasage entre les tensions homologues VA et Va . V. Etude du couplage Etoile-Triangle (Yd) V.1. Détermination du rapport de transformation - Réaliser et faire vérifier le montage pour le couplage Yd des enroulements du transformateur. - Alimenter l’enroulement primaire sous une tension triphasée de telle sorte que U1 = U1N . - Faire les mesures nécessaires et calculer les valeurs des rapports de transformation par colonne m0 et global M0 . V.2. Détermination de l’indice horaire par la méthode impulsionnelle - Débrancher la source de tension triphasé et conserver le couplage Yd. - Faire les mesures nécessaires et déterminer la valeur de l’indice horaire du transformateur. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 25 V.3. Détermination de l’indice horaire par la méthode des électriciens - Brancher l’enroulement primaire du transformateur à la source d’alimentation triphasé. - Le secondaire du transformateur étant couplé en triangle, et par conséquent ne possédant pas de neutre, raccorder la borne notée 2U6 au neutre du primaire. - Alimenter l’enroulement primaire sous une tension triphasée de telle sorte que UAB = 50 Volts. - Tracer le diagramme vectoriel des tensions. - Déterminer la valeur de l’indice horaire du transformateur. Pour ce type de couplage, il s’agit de déterminer la tension composée Uab = Va − Vb , dans une première étape et de tracer le triangle des tensions Uab , Ubc et Uca . Dans une seconde étape, il faut déduire la tension simple Va et par la suite la valeur du déphasage entre les tensions homologues VA et Va . VI. Etude du couplage Etoile-Zig-zag (Yz) VI.1. Détermination du rapport de transformation - Réaliser et faire vérifier le montage pour le couplage Yz des enroulements du transformateur. - Alimenter l’enroulement primaire sous une tension triphasée de telle sorte que U1 = U1N . - Faire les mesures nécessaires et calculer les valeurs des rapports de transformation par colonne m0 et global M0 . VI.2. Détermination de l’indice horaire par la méthode impulsionnelle - Débrancher la source de tension triphasé et conserver le couplage Yz. - Faire les mesures nécessaires et déterminer la valeur de l’indice horaire du transformateur. VI.3. Détermination de l’indice horaire par la méthode des électriciens - Brancher l’enroulement primaire du transformateur à la source d’alimentation triphasé. - Le secondaire du transformateur étant couplé en zig-zag, il possède donc un point neutre, raccorder le point neutre du primaire avec celui du secondaire. - Alimenter l’enroulement primaire sous une tension triphasée de telle sorte que UAB = 50 Volts. - Tracer le diagramme vectoriel des tensions. - Déterminer la valeur de l’indice horaire du transformateur. V.II. Analyse des résultats - Comparer les résultats obtenus par calcul avec les résultats théoriques. - Conclure sur l’aspect pratique de chacune des méthodes utilisées pour la détermination de l’indice horaire. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 26 TP 02-b TRANSFORMATEUR TRIPHASE ESSAIS DIRECTS ET INDIRECTS I. Objectifs - Etudier le fonctionnement en charge d’un transformateur triphasé. - Déterminer les caractéristiques externe de tension et de rendement à l’aide de la méthode directe. - Déterminer les valeurs des paramètres du schéma équivalent à l’aide des essais indirects. - Prédéterminer les caractéristiques externe de tension et de rendement à l’aide de la méthode des pertes séparées. II. Préparation 1. Rappeler les expressions des résistances apparentes raY et ra∆ , c’est à dire mesurée entre deux phases en courant continu, pour un récepteur triphasé équilibré couplé en étoile, puis en triangle. 2. Rappeler l’expression de la puissance dissipée par effet Joule dans un récepteur triphasé équilibré en fonction de la résistance mesurée entre deux phases, sachant que son couplage est inconnu. 3. Donner le schéma de branchement pour la mesure de la puissance absorbée par un récepteur triphasé à l’aide de la méthode des deux wattmètres. Ecrire les expressions des puissances active, réactive et du facteur de puissance. Discuter de la nature du récepteur (inductif, résistif ou capacitif) en fonction des indications des wattmètres. 4. Dans le cas où l’on ne dispose pas pour l’essai à vide, d’une alimentation triphasée capable de délivrer la tension nominale du transformateur, donner les étapes d’une méthode indirecte permettant la détermination des valeurs du rapport de transformation et des pertes fer nominales. III. Identification de la machine étudiée 1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique du transformateur étudié. - A partir de ces indications, déterminer, au primaire et au secondaire, les tensions nominales U1N et U2N et les intensités nominales des courants I1N et I2N . - Identifier les différents enroulements sur la plaque à bornes et vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements primaire et secondaire. 2. Mesure des résistances - On utilisera la méthode voltampèremétrique, en se plaçant le plus près possible des conditions nominales d’utilisation (I1N et I2N ). - Réaliser et faire vérifier chacun des montages représentés ci-dessous. - Réaliser trois mesures pour chacun des enroulements autour des courants nominaux respectifs. - Déterminer la valeur des résistances à chaud (Température ambiante : 20o C ; température de travail : 60o C ; enroulement en fil de cuivre). _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 27 (a) Mesure de la résistance apparente du primaire (b) Mesure de la résistance apparente du secondaire IV. Essai en charge Il s’agit ici d’étudier, sous la tension primaire nominale et en fonction du courant débité par le secondaire, le comportement en charge du transformateur et de mettre en évidence l’évolution de la tension secondaire et du rendement pour différents types de charge branchée au secondaire du transformateur (résistive, inductive ou capacitive). V.1. Schéma de montage Pour ce travail, l’essai sera effectué pour une charge purement résistive (cosϕ2 = 1). IV.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Brancher au secondaire du transformateur une charge purement résistive. - Régler la tension primaire à sa valeur nominale U1 = U1N , cette tension devra être impérativement maintenue constante pendant tout l’essai. - Agir sur la charge pour faire varier l’intensité du courant au secondaire entre 0 et 1,20.I2N ; mesurer, pour six à huit points de fonctionnement, les valeurs des grandeurs U2 , I1 , I2 , P1a , P1b , P2a et P2b . - Pour le régime nominal, relever l’intensité I2N , la valeur efficace de la tension secondaire U2N et les valeurs des puissances P1a , P1b , P2a et P2b . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous et effectuer les calculs demandés. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 28 Essai en charge: U1 = U1N = . . . V cosϕ2 = . . . Mesures U2 V I1 A I2 A P1 W P2 W Calculs ∆U2 V δU2 % cosϕ1 / ηdir % Pj1 W Pj2 W Pjt W Pf = . . . W f = 50 Hz avec : P1 = P1a + P1b et cosϕ1 = √1+x1 2. 1−x1 +x21 Pj1 = 32 .ra1 .I12 et P2 = P2a + P2b (Puissances actives absorbée et utile) avec x = P1b P1a (Facteur de puissance primaire) Pj2 = 32 .ra2 .I22 (Pertes joules primaires et secondaires) Pjt = Pj1 + Pj2 (Pertes joules totales) IV.3. Exploitation des résultats - Pour U1 = U1N et cosϕ2 = 1, tracer et commenter l’allure des caractéristiques suivantes : - caractéristique externe : U2 = f (I2 ) ; - caractéristiques de chute de tension : ∆U2 = f (I2 ) et δU2 = f (I2 ) ; - caractéristiques des facteurs de puissance : cosϕ1 = f (I1 ) et cosϕ1 = f (I2 ) ; - caractéristique de rendement : ηdir = f (I2 ). - Tracer les caractéristiques de rendement ηdir = f (I2 ) et de pertes, Pjt = f (I2 ) et Pf = f (I2 ), sur un même repère. - Pour quelle condition la valeur du rendement est-elle maximale ? En déduire la valeur maximale du rendement ηbdir et l’intensité I2b η correspondante. Comparer l’intensité du courant I2b η avec celle du courant nominal secondaire. - Calculer la valeur de la puissance apparente nominale du transformateur SN . - Pour le régime nominal, compléter le tableau de mesure ci-dessous : Fonctionnement nominal : U1 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz cosϕ2 = . . . U2N I1N I2N ∆V2N ∆U2N δU2N SN cosϕ1N ηdirN V A A V V % VA / % - Comparer les résultats obtenus avec les indications données sur la plaque signalétique. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 29 V. Essai à vide Il s’agit de déterminer, à l’aide d’un essai à vide sous la tension primaire nominale, les valeurs du rapport de transformation m0 et des pertes fer Pf nominales. V.1. Schéma de montage V.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Alimenter le primaire du transformateur sous la tension triphasée nominale U1 = U1N . - Constater l’égalité des valeurs efficaces des tensions mesurées aux bornes (2U1-2V1), (2V1-2W1) et (2W1-2V1) de l’enroulement secondaire. - Mesurer les valeurs des grandeurs U10 , U20 , I10 , P10a et P10b . - Calculer la valeur du rapport de transformation m0 . - Constater que les pertes joules à vide Pj10 sont toujours négligeables devant P10 . - Déduire la valeur des pertes fer nominales Pf N . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous. U10 V Essai à vide : U10 = U1N = ...... Volts ; U20 I10 P10a P10b P10 V A W W W I20 = 0 A ; m0 / f = 50 Hz Pj10 Pf N W W - Quel est le sens des déviations des wattmètres P10a et P10b ? Commenter. - Calculer la valeur du facteur de puissance au primaire à vide cosϕ10 . En déduire la valeur du déphasage et commenter la nature du transformateur vu du primaire à vide. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 30 VI. Essai en court-circuit sous tension réduite Il s’agit ici d’abord de déterminer, à l’aide d’un essai en court-circuit sous tension réduite, les paramètres du schéma équivalent ramené au secondaire, puis d’évaluer les pertes joules nominales. V.1. Schéma de montage Cet essai doit être réalisé avec prudence : Un court-circuit sous une tension primaire proche de sa valeur nominale amènerait le transformateur a être parcouru par des courants très important, tant au niveau du primaire que du secondaire. La conséquence serait alors la destruction du transformateur et des appareils de mesure. VI.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Vérifier que la tension d’alimentation primaire est nulle (U1 = U1cc = 0). - Alimenter le montage et agir progressivement sur la tension primaire jusqu’à obtenir les courants nominaux, soit I1cc = I1N et I2cc = I2N . - Mesurer les valeurs des grandeurs U1cc , I1cc , P1cca et P1ccb . - Calculer les valeurs de la résistance Rs , de l’impédance Zs et de la réactance Xs totales ramenées au secondaire. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : U1cc V Essai en court-circuit : I1cc P1cca P1ccb A W W U2 = 0 Volt P1cc Rs W Ω f = 50 Hz Zs Ω Xs Ω VI. Prédétermination des caractéristiques VI.1. Caractéristiques de tension Il s’agit de prédéterminer la caractéristique externe de tension U2 = f (I2 ) et les caractéristiques de chute de tension ∆U2 = f (I2 ) et δU2 = f (I2 ) à l’aide des paramètres du schéma équivalent monophasé du transformateur, pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive cosϕ2 =1. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 31 - Tracer un diagramme de Kapp amplifié unique, pour six valeurs de l’intensité du courant au secondaire comprises entre 0 et 1,20.I2N . - Déterminer les valeurs de la tension secondaire U2 , pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive. En déduire les valeurs des chutes de tension ∆U2 et δU2 . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Prédétermination des caractéristiques de tension U1 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz cosϕ2 = . . . I2 A U2 V ∆U2 V δU2 % - Tracer les caractéristiques externe de tension et de chute de tension. - Comparer les caractéristiques prédéterminées à l’aide des essais indirects avec celles obtenues par l’essai en charge. - Pour l’intensité nominale au secondaire I2N , calculer à l’aide de la formule approchée les valeurs des chutes de tension. Comparer ces valeurs avec celles obtenues avec le diagramme de Kapp. - Conclure sur la validité de l’approximation de Kapp et sur la précision de son diagramme vectoriel. VI.2. Caractéristique de rendement Il s’agit de prédéterminer, la caractéristique de rendement du transformateur ηsep = f (I2 ) à l’aide de la méthode des pertes séparées, pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive. - Déterminer, dans le cas des six courants secondaires considérés, les valeurs des pertes joules totales Pjt et de la puissance utile P2 délivrée par le transformateur, pour la tension primaire nominale U1 = U1N et une charge résistive. - En déduire les valeurs du rendement ηsep du transformateur. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Prédétermination de la caractéristique de rendement U1 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz cosϕ2 = . . . Pf = . . . I2 A U2 V Pjt W P2 W ηsep % avec : ηsep = P2 P2 +Pjt +Pf (Rendement déterminé par la méthode des pertes séparées)) - Tracer la caractéristique de rendement. - Déterminer graphiquement la valeur ηbsep du rendement maximal et l’intensité I2b ηsep du courant secondaire correspondante. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 32 - Comparer la caractéristique de rendement et la valeur maximale du rendement prédéterminées à l’aide des essais indirects et la méthode des pertes séparées avec les résultats obtenus par la méthode directe et l’essai en charge. - Calculer la valeur de la puissance apparente nominale SN du transformateur. - Pour le régime nominal, compléter le tableau de mesure ci-dessous : Fonctionnement nominal : U1 = U1N = . . . Volts f = 50 Hz U2N I1N I2N ∆U2N δU2N SN cosϕ1N PjN V A A V % VA / W cosϕ2 = . . . Pf N ηsepN W % - Comparer les résultats obtenus à l’aide des essais indirects avec les indications données sur la plaque signalétique. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 33 THEME 3 GENERATRICES A COURANT CONTINU Rappel théorique TP 03-a : Génératrice à courant continu à excitation indépendante TP 03-b : Génératrice à courant continu à excitation en dérivation Complément théorique 3 GENERATRICES A COURANT CONTINU 1. Présentation La machine à courant continu comporte trois éléments essentiels : L’inducteur : C’est la partie fixe du moteur, dont la fonction consiste à créer le champ magnétique d’excitation. Il est constitué, soit par un aimant permanent, soit par un électro-aimant dont les enroulements sont parcourus par le courant continu d’excitation. L’induit : C’est la partie mobile, qui comporte une ou plusieurs bobines tournant dans le champ magnétique. Il est le siège d’une f.e.m induite alternative. Le collecteur : Il est également mobile, son le rôle est de transformer le courant alternatif present dans l’induit en courant unidirectionnel à l’aide de balais fixe. Figure 1 Le circuit électrique de l’inducteur est constitué de bobines branchées en série, il est alimenté en courant continu. Les bobines enroulées autour des noyaux polaires sont la source du champ magnétique. Suivant le nombre de bobines inductrices, on obtient : - soit une machine bipolaire où l’on distingue l’axe des pôles et la droite perpendiculaire à l’axe des pôles qui est appelée ligne neutre, - soit une machine multipolaire comportant 2p pôles (p pôles Nord et p pôles Sud). Dans certaines machines de faible puissance, on utilise des aimants permanents à base de ferrites ou de terres rares, comme sources de champ magnétique, et donc comme inducteur. Figure 2 L’enroulement du rotor, plus complexe, est formé de conducteurs logés dans des encoches aménagées sur la surface extérieure de la carcasse cylindrique formant le circuit magnétique rotorique. Ce sont ces conducteurs solidaires du cylindre soumis aux forces de Laplace, qui vont entraîner celui-ci dans leur mouvement de rotation. On relie ensemble deux conducteurs presque diamétralement opposés, pour constituer une spire dont les extrémités sont soudées à deux lames voisines d’un collecteur, solidaire de l’arbre. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 34 Le collecteur est constitué de lames de cuivre isolées les unes des autres. Sur ce collecteur frottent des balais fixes en carbone et de ces balais partent les conducteurs qui assurent la liaison électrique entre le rotor et l’extérieur de la machine. Selon la nature de la conversion énergétique réalisée, deux types de machines sont distingués : - la génératrice à courant continu, elle transforme une énergie mécanique en énergie électrique sous forme de courant continu. - le moteur à courant continu, il transforme une énergie électrique de forme continue en une énergie mécanique. La machine à courant continu possède la propriété de réversibilité, elle peut en effet fonctionner indifféremment en génératrice ou en moteur. C’est un convertisseur d’énergie réversible : la génératrice transforme l’énergie mécanique qu’elle reçoit en énergie électrique, alors que le moteur effectue la transformation inverse. Ces transformations s’accompagnent inévitablement de pertes. Fonctionnement en mode génératrice : L’inducteur est alimenté par une tension continue et produit un champ magnétique constant. L’induit est entraîné en rotation par un système d’entrainement. Il est le siège de variation de flux au travers de spires qui le constituent. Ils en résultent la création d’une f.e.m alternative qui est redressée et transmise au circuit extérieur par l’ensemble collecteur-balais. Fonctionnement en mode moteur : L’inducteur est également alimenté par une tension continue et produit un champ magnétique constant. Par contre, l’induit est alimenté par une source de courant continu. Le champ inducteur agit sur ses conducteurs de l’induit en leur appliquant des forces électromagnétiques. Ces forces électromagnétiques produisent un couple moteur qui entraîne le rotor en rotation. 2. Modélisation de la génératrice à courant continu Expression de la force électromotrice L’enroulement induit en mouvement dans le champ magnétique produit par l’inducteur est le siège d’une une force électromotrice (f.e.m.) E à ses bornes. Cette f.e.m est proportionnelle au nombre de conducteurs actifs de l’induit, à la vitesse de rotation n de l’induit, au flux dans l’entrefer. Son expression est donnée par la relation suivante : E 2p Nn 2a E : f.e.m en Volts, n : vitesse de rotation de l’induit en tr/s, : flux magnétique maximum traversant les enroulements de l’induit en webers, N : nombre de conducteurs actifs de l’induit, 2p : Nombre de voie d’enroulement, 2a : Nombre de voie d’enroulement (on adopte : 2p/2a=1). Tension aux bornes de la génératrice En appliquant à l’induit la convention d’un générateur, la tension qu’il délivre à ses bornes s’exprime sous la forme : U E Ra I a U et E : tension et f.e.m en Volts, Ra : résistance de l’induit en Ohms, Ia : courant d’induit en ampères. La convention récepteur appliquée à l’inducteur donne : U ex Rex I ex Uex: tension en Volts, Rex : résistance de l’inducteur en Ohms et Iex : courant d’inducteur en ampères. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Figure 3 35 Puissance électromagnétique La puissance électromagnétique, notée Pem, est la portion de la puissance absorbée sous forme mécanique qui est convertie dans l’entrefer en énergie électrique : Pem EI a 2p NnI a UI Ra I a2 2a Couple électromagnétique (résistant) Selon le principe de Laplace, un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique est soumis à une force électromagnétique. Sur ce principe, le rotor de la machine est soumis à un couple électromagnétique qui, dans le cas du fonctionnement en génératrice, s’oppose au couple fourni par le dispositif d’entrainement (couple résistant) : Cem Pem EI a 2 p NnI a 2 p N I a KcI a 2a 2 a 2 Cem : couple électromagnétique en m.N), Ω : vitesse de rotation en rad.s-1, avec : Kc 2 p N 2a 2 3. Les différentes configurations d’excitation Il existe 4 modes d’alimentation (ou excitation) de l’inducteur : l’excitation séparée, l’excitation shunt, l’excitation série et excitation composée (compound). Excitation séparée ou indépendante Une source d’alimentation auxiliaire (batterie, ou autre…) est nécessaire pour alimenter l’inducteur. Excitation en dérivation ou shunt L’énergie nécessaire à la circulation d’un courant d’excitation pour la production du champ magnétique inducteur est délivrée l’enroulement d’induit, aussi l’inducteur est mis en parallèle avec l’induit. Excitation série Dans ce mode d’excitation, l’enroulement inducteur est branché en série avec l’enroulement induit et le courant d’excitation est le même dans les deux circuits. Excitation composée ou compound Dans ce mode d’excitation, la machine possède deux enroulements d’excitation destinés à la production du champ magnétique. L’un est branché en parallèle avec l’induit, l’autre est connecté en Pour les excitations, shunt, série et compound, la génératrice ne nécessite pas de source auxiliaire d’excitation, la machine est qualifiée de génératrice auto-excitée lorsqu’elle fonctionne selon l’un de ces trois modes. 4. La réaction magnétique d’induit Lorsqu’on branche un récepteur aux bornes de l’induit d’une génératrice à courant continu, l’induit débite un courant. Celui-ci crée un flux magnétique, appelé flux de réaction d’induit, qui modifie le flux produit par l’inducteur. Ce flux de réaction présente deux composantes : - une composante de réaction transversale, dont la direction se situe sur l’axe interpolaire qui diminue le flux traversant l’induit et décale la ligne neutre magnétique. - une composante de réaction longitudinale, située dans l’axe polaire, due au décalage de la ligne de neutre qui diminue fortement le flux inducteur. La réaction magnétique d’induit a pour conséquence la diminution du flux utile, donc de la f.m.m par rapport à la marche à vide et une induction différente de zéro sous la ligne neutre théorique. Expression de la réaction magnétique d’induit Du fait de ce phénomène, les équations de la machine sont modifiées de la manière suivante : Le flux en charge s’écrit : ch f ( I ex , I a ) v à vide le f.e.m n’est causée que par la excitation : _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Ev 2p Nnv 2a 36 en charge elle devient : Ech 2p 2p 2p 2p Nnch Nn v Nnv Nn 2a 2a 2a 2a d’où : Ech Ev hm avec : hm 2p Nn 2a hm : représentant la chute de tension due à la réaction magnétique d’induit, v : le flux produit par le courant d’inducteur, ch : le flux causé par l’action conjuguée des courants d’inducteur et d’induit. En tenant compte de la résistance de l’enroulement d’induit, la tension délivrée ses bornes peut alors être réécrite sous la forme : U Ech Ra I a Ev hm Ra I a Ev ht hm : représentant la chute totale de tension : ht hm Ra I a Ev U Remèdes pour limiter l’influence de la réaction d’induit Les dispositions couramment employées pour diminuer l’influence de la réaction transversale d’induit sont : - mise en œuvre d’enroulements de compensation logés dans des encoches pratiquées sous les pièces polaires créant une f.m.m. égale et opposée à celle due aux ampères tours de l’induit ; - mise en œuvre pôles de commutation créant des ampères tours égaux et opposés à ceux de l’induit. - Limitation de l’influence des ampères-tours dus au courant d’induit en prévoyant un entrefer plus important au voisinage des pièces polaires. 5. La génératrice à excitation indépendante Schéma équivalent Uex : Tension de la source d’excitation, Rhd : Rhéostat d’excitation (ou de champ), Rd : Résistance de l’enroulement inducteur, Iex : Courant d’excitation, n : Vitesse de rotation Ev : Force électromotrice, Ra : Résistance de l’enroulement induit, Ia : Courant d’induit, I : Courant circulant dans la charge, Figure 4 U : Tension délivrée par l’induit, Rch : Résistance de la charge. Caractéristique interne C’est la courbe Ev = f (Iex) relevée à vide à vitesse n = constante. C’est une courbe de magnétisation, en effet elle a la même allure que celle de l’induction B = f (H), et : - de O à A, la caractéristique est linéaire, Ev = Ev .Iex ; - de A à B le matériau ferromagnétique commence à saturer ; - après B, le matériau est saturé, le f.é.m. n’augmente presque plus. Pour des valeurs du courant d’excitations importantes, le circuit magnétique se sature et l’accroissement de la f.e.m est moins rapide. Figure 5 La zone utile de fonctionnement de la machine se situe au voisinage du point A. On vérifie pour deux régimes de fonctionnement, à Iex = constante, que : Ev1 Ev2 n1 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif n2 Ev2 Ev1 n2 n1 37 Caractéristique externe C’est la courbe U = f (I) relevée en charge, en maintenant constantes la vitesse n et le courant d’excitation Iex. Lorsque le courant I croit la tension aux bornes de la charge diminue, la caractéristique est donc décroissante et s’incurve de plus en plus à cause des chutes de tension ohmique et de réaction magnétique de l’induit. Les différentes caractéristiques de chute de tension ht = f (I), hm = f (I), = f (I) peuvent être déduite par une méthode graphique ou à l’aide de calcul. Figure 6 Bilan des puissances et rendement La valeur du rendement est déterminée soit : - par la méthode directe par un essai en charge, - par la méthode des pertes séparées. Les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge de la génératrice à excitation indépendante sont : Pu UI - Puissance utile : - Puissance absorbée par le circuit d’excitation : - Puissance mécanique : Pm - Puissance absorbée : Pabs Pm Pex Pex U ex I ex - Pertes supplémentaires (magnétiques, frottement, ventilation, …) : - Pertes joules dans l’induit : Pja Ra I a2 - Pertes joules dans l'inducteur : Pjex Pex Rd Rhd I ex2 pméca Le rendement est calculé par la relation suivante : Pu Pu Pu Pa Pu pertes Pu Pjex Pja pm 6. La génératrice à excitation shunt Schéma équivalent Ce mode d’excitation permet de pas utilisée de source auxiliaire pour l’excitation. U : Tension délivrée par l’induit, Rhd : Rhéostat d’excitation (ou de champ), Rd : Résistance de l’enroulement inducteur, Id : Courant d’excitation, n : Vitesse de rotation Ev : Force électromotrice, Ra : Résistance de l’enroulement induit, Ia : Courant d’induit, _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Figure 7 I : Courant circulant dans la charge, Rch : Résistance de la charge. 38 A vide, la tension aux bornes de l’induit étant appliquée au circuit d’excitation, d’où : U 0 U ex 0 Ev En charge, il vient : U U ex et Ia0 Id avec Id Ev Rd Rhd et I Ia Id avec Id U Rd Rhd Problème de l’amorçage La génératrice est dite amorcée si elle délivre une tension de l’ordre de sa tension nominale. La génératrice shunt ne s’amorce que sous certaines conditions. La machine est entrainée à vide à sa vitesse nominale et excitée par un courant faible d’excitation. L’interrupteur étant ouvert : Id = 0 Evr << Un (Evr désignant la f.e.m rémanente), à la fermeture de l’interrupteur, deux situations peuvent se présenter : - soit : Ev ↑ I d Ev ↑ ↑ Ev ↑ Rd Rhd la génératrice s’amorce ; - soit : Ev ↓ I d Ev ↓ ↓ Ev ↓ Rd Rhd la génératrice ne s’amorce pas. Dans ce dernier cas, pour amorcer la génératrice, il suffit d’inverser soit, le sens de rotation, soit le courant d’excitation en permutant les connections entre l’induit et ‘inducteur. j Par conséquent, les conditions d’amorçage sont : - la vitesse de rotation suffisante (par exemple la vitesse nominale), - l’existence de la f.e.m rémanente, - le flux inducteur v doit agir dans le même sens que le flux rémanent Evr. Caractéristique interne La caractéristique Ev = f (Iex) ne dépend pas du mode d’excitation, car elle représente la courbe d’aimantation du circuit magnétique. Elle est toujours relevée à vide en génératrice à excitation séparée A vide, la tension aux bornes de l’induit est : U0 Rd Rhd I d Ev . Le point de fonctionnement P0 à vide est donc à l’intersection de la caractéristique Ev = f (Iex) et de la droite des inducteurs d’équation Ev Rd Rhd I d . On peut déplacer le point de fonctionnement P0 à vide par action sur le rhéostat Rhd, ou par action sur la vitesse de rotation n. Action sur le rhéostat d’excitation Rhd : - Si on augmente Rhd, la pente de la droite des inducteurs et le point de fonctionnement P0 se déplace sur la gauche de la caractéristique Ev = f (Iex). - A la limite de Rhd = Rhd cr (valeur critique), le point de fonctionnement n’est plus défini et la machine se désamorce. Figure 8 Il faut noter que pour une valeur de la vitesse de rotation correspond une valeur critique pour la résistance du rhéostat. La valeur de la résistance critique du rhéostat d’excitation peut être déterminer dans la zone linéaire. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 39 Action sur la vitesse de rotation n : - Si on diminue la vitesse n, la caractéristique va se déplacer par affinité vers le bas et le point de fonctionnement P0 va se descendre vers le bas sur la droite des inducteurs. - A la limite pour une vitesse critique n = ncr, le point de fonctionnement n’est plus défini et la génératrice se désamorce. Il faut aussi noter que pour une valeur de la résistance du rhéostat correspond une valeur critique de la vitesse de rotation. La valeur critique de la vitesse peut également être déterminer dans la zone linéaire. Figure 9 Caractéristique externe C’est la courbe U = f (I) relevée en charge, en maintenant constantes la vitesse n et la valeur du rhéostat d’excitation Rhd. La caractéristique externe d’une génératrice excitée en dérivation est plus tombante que celle relevée pour l’excitation indépendante. En effet, contrairement à l’excitation séparée, le courant d’excitation n’est plus constant, il décroit en même temps que la valeur de U, d’où la baisse plus accentuée de la tension. Figure 10 En conséquence les chutes de tension magnétique et totales ne peuvent plus être déterminées par les relations définies précédemment, le courant d’excitation changeant avec la charge, la f.e.m à vide sera également modifiée. Construction de Picou Les caractéristiques de chute de tension ht = f (I) et hm = f (I), peuvent être déduite par la construction graphique de Picou. A partir des caractéristiques Ev = f (Iex), U = f (I) à n = cste et à Rhd = cste, relevées à la même vitesse, tracées à la mémé échelle de part et d’autre de l’axe des tensions et la droite des inducteurs ; on peut prédéterminer Figure 10 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 40 la courbe de chute de tension totale pour le fonctionnement en mode dérivation. La marche à suivre est la suivante : Pour un courant I1 correspondant à un régime de fonctionnement noté (1) : - Le courant I1 le point M1 sur la caractéristique U = f(I) le point M2 sur l’axe des tensions donne U1 le point M2 ; - le point M2 le point M3 sur la droite des inducteurs ; - le point M3 le point M4 permet d’obtenir l’intensité du courant d’excitation Id1 ; - le point M4 le point M5 sur la caractéristique interne Ev = f (Iex) ; - point M5 le point M6 sur l’axe des f.e.m(s) donne Ev1. Et donc : hm1 M2M6 Ev1 U1 , en reportant sur l’axe des tensions hm1 M2M6 OM7 , on obtient le point de la caractéristique ht = f (I) pour le courant I1 de charge considéré. On refait cette construction pour plusieurs courants afin d’obtient les chutes de tension correspondantes. Connaissant la résistance de l’induit, on trace la courbe de chute ohmique = f (I) et on en déduit la caractéristique hm = f (I) de la chute de tension due à la réaction magnétique d’induit par la relation : hm ht Ra I a . Bilan des puissances et rendement Les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge de la génératrice shunt sont : - Puissance utile : Pu UI - Puissance absorbée : Pabs Pm - Pertes supplémentaires (magnétiques, frottement, ventilation, …) : - Pertes joules dans l’induit : Pja Ra I a2 - Pertes joules dans l'inducteur : Pjex Rd Rhd I d2 UI d pméca Le rendement est calculé par la relation suivante : _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Pu Pu Pu Pa Pu pertes Pu Pjex Pja pm 41 TP 03-a GENERATRICE A COURANT CONTINU A EXCITATION INDEPENDANTE I. Objectifs - Etudier une génératrice à courant continu à excitation indépendante à vide et en charge. - Relever sa caractéristique interne et sa caractéristique à vide à flux constant. - Relever sa caractéristique externe et ses caractéristiques de chute de tension. - Déduire sa caractéristique de réglage à partir des résultats obtenus lors des essais. II. Préparation 1. Expliquer comment maintenir constante la tension délivrée aux bornes d’une génératrice à courant continu à excitation indépendante, lorsque sa charge est modifiée ou si sa vitesse varie. 2. Donner le rôle du rhéostat de champ, comment le choisir afin de rendre possible le réglage du courant d’excitation entre 20% et 120% de sa valeur nominale ? 3. Pourquoi la caractéristique interne, Ev =f (iex ) à N = constante, d’une génératrice à courant continu n’est-elle pas une droite pour les fortes valeurs du courant d’excitation ? 4. Expliquer pour quelle raison le relevé de la caractéristique interne se fait suivant les valeurs croissantes, puis décroissantes du courant d’excitation, sans jamais revenir en arrière ? 5. Esquisser l’allure de la caractéristique à vide à flux constant : Ev = f (N ) à iex = constante. Déduire le principe de fonctionnement d’une génératrice tachymétrique ? III. Identification de la machine étudiée 1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Identifier ses différents enroulements sur la plaque à bornes. - Vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements induit et inducteur. 2. Mesure des résistances On utilisera la méthode volt-ampèremétrique, avec une alimentation en courant continu. On considérera la résistance d’un enroulement comme la moyenne des mesures effectuées. Enroulement induit : (avec éventuellement l’enroulement de compensation branchés en série) Cette résistance étant de valeur faible, on optera pour le montage aval, en effectuant trois mesures autour du courant nominal de l’enroulement d’induit, correspondantes à trois positions de l’arbre moteur. Enroulement inducteur : Cette résistance étant de valeur moyenne, on optera donc pour le montage amont, en effectuant la moyenne de trois mesures autour du courant nominal (ou de la tension nominale) de l’enroulement inducteur. - Proposer les schémas de montage pour la mesure des résistances. - Mesurer la valeur des résistances des enroulements induit et inducteur. - Déterminer la valeur des résistances des enroulements à chaud. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 42 IV. Essai à vide à vitesse constante Il s’agit d’étudier l’influence du flux magnétique, créé par le seul courant d’excitation parcourant l’enroulement inducteur, sur la f.e.m obtenue aux bornes de l’enroulement induit. Pour cela, on trace la caractéristique interne de la machine fonctionnant à vide avec sa vitesse de rotation maintenue à sa valeur nominale. Ev = f (iex ) à N = NN = constante et I =0A IV.1. Schéma de montage La machine étudiée sera entraı̂née en rotation par un moteur à excitation en dérivation, alimenté sous sa tension nominale et avec excitation réglable par un rhéostat de champ, afin de régler la vitesse du groupe [moteur + génératrice]. IV.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Ouvrir le circuit d’excitation et régler le rhéostat de champ sur sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entrainement, puis ajuster la vitesse de rotation à la valeur N = NN , que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. Noter la valeur de la f.e.m rémanente. - Fermer le circuit d’excitation et en agissant sur le rhéostat de champ, faire varier le courant d’excitation avec des valeurs croissantes, depuis 0 jusqu’à 1,25 fois sa valeur nominale, sans jamais revenir en arrière, relever les intensités du courant iex et les valeurs correspondantes de la f.e.m Ev . - De manière identique, faire décroı̂tre le courant d’excitation depuis 1,25 fois sa valeur nominale jusqu’à 0, sans jamais revenir en arrière, relever les valeurs du courant iex et de la f.e.m Ev correspondantes. Noter la nouvelle valeur de la f.e.m rémanente. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous. Essai à vide à vitesse constante : Ev V iex A Ev V Caractéristique interne moyenne Evmoy V iex A _______________________ A. Mechernene & M. Loucif N = NN = · · · tr/mn I =0A iex croissant / iex décroissant / / 43 IV.3. Exploitation des résultats - Tracer, sur un même repère, les caractéristiques internes pour les intensités croissantes et décroissantes du courant d’excitation. - Interpréter l’allure obtenue en mettant en évidence les phénomènes d’hystérésis et de rémanence magnétiques. - Tracer la caractéristique interne moyenne et positionner le point de fonctionnement nominal. - Montrer, sur cette caractéristique, les domaines de linéarité et de saturation ; déduire la valeur du coefficient de proportionnalité en (V/A) dans la zone de linéarité. V. Essai à vide à flux constant Il s’agit d’étudier l’influence de la vitesse de rotation sur la f.e.m mesurée aux bornes de l’enroulement d’induit. Pour cela, on trace la caractéristique à vide de la machine fonctionnant à flux constant, donc avec l’intensité du courant d’excitation maintenue à sa valeur nominale. Ev = f (N ) à φ = constant et donc à iex = iexN = constante I =0A V.1. Mode opératoire - Régler la vitesse de rotation pour obtenir 1, 20.NN . - Ajuster le rhéostat de champ sur sa valeur maximale, puis fermer le circuit d’excitation. - Régler le courant d’excitation de la génératrice à sa valeur nominale, que l’on maintiendra constante pendant tout l’essai ; relever les valeurs de la vitesse N et de la f.e.m Ev . - Diminuer la vitesse de rotation jusqu’à obtenir N = NN , relever les valeurs nominales de la vitesse et de la f.e.m. - Faire varier la vitesse de rotation de NN jusqu’à l’arrêt (N = 0), relever les valeurs correspondantes de la vitesse et de la f.e.m Ev . - Ramener le rhéostat de champ du moteur à sa valeur minimale, puis couper la tension d’alimentation. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Essai à vide à flux constant : Ev V N tr/mn iex = iexN = .......... A I =0A - Avant d’arrêter le groupe [moteur + génératrice], ramener le courant iex de la génératrice à son minimum avant la coupure de l’excitation (pour éviter les surtensions à la rupture dues au phénomène d’auto-induction). - Couper la tension d’alimentation du moteur d’entraı̂nement. V.2. Exploitation des résultats - Tracer la caractéristique à vide à flux constant et positionner le point de fonctionnement nominal à vide. Interpréter l’allure de la caractéristique obtenue. - Montrer, sur cette caractéristique, les domaines de linéarité et de non linéarité ; déduire la valeur du coefficient de proportionnalité en (V/tr.mn−1 ) dans la zone de linéarité. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 44 V. Essai en charge Il s’agit d’étudier l’influence du courant débité par la génératrice, sur la tension délivrée aux bornes de l’enroulement d’induit. Pour cela, on trace la caractéristique externe de la machine fonctionnant en charge, avec sa vitesse de rotation et son courant d’excitation maintenus à leurs valeurs nominales. U = f (I) à N = NN = constante et iex = iexN = constante V.1. Schéma de montage V.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Ouvrir l’interrupteur S et régler le rhéostat de champ sur sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entrainement et ajuster la vitesse de la génératrice à sa valeur nominale. - Fermer l’interrupteur S et charger la machine à l’aide du rhéostat de charge Rch , puis chercher à obtenir le régime nominal de la génératrice [UN ;IN ;NN ] en ajustant successivement la résistance de charge, le courant d’excitation et la vitesse de rotation. - Relever les coordonnées du point de fonctionnement nominal et l’intensité du courant d’excitation correspondante que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai, ainsi que la valeur de la vitesse de rotation. - Agir sur le rhéostat de charge afin de faire varier l’intensité du courant I débité depuis 1,20.IN jusqu’à I=0 ; relever l’intensité du courant débité I et la valeur de la tension aux bornes de l’induit U . Noter la valeur de la tension à vide. - Ramener le rhéostat de champ du moteur à sa valeur minimale, puis couper la tension d’alimentation. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : - Avant d’arrêter le groupe [moteur + génératrice], ramener le courant d’excitation iex de la génératrice à son minimum avant la coupure de son circuit inducteur. - Couper la tension d’alimentation du moteur d’entraı̂nement. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 45 Essai en charge : I U N = NN = · · · tr/mn Mesures iex = · · · A A V Calculs µ hm ht V V V V.3. Exploitation des résultats - Tracer la caractéristique externe U = f (I) pour N = NN et iex = iexN ; positionner le point de fonctionnement nominal en charge et interpréter l’allure de la caractéristique obtenue. - Est-il possible de définir un domaine de linéarité sur la caractéristique externe ? Dans ce cas, préciser les intensités du courant d’induit pour lesquels cette linéarisation est possible et donner les équations des droites obtenues. - Définir, dans ce domaine, un modèle de Thévenin pour l’enroulement induit et calculer les valeurs de ces éléments. - Tracer sur un même repère les caractéristiques de chute de tension suivantes : ht = f (I) pour hm = f (I) N = NN = constante et µ = f (I) iex = iexN = constante - Interpréter l’allure de ces caractéristiques ; positionner le point de fonctionnement nominal. - Donner, pour le régime nominal, les valeurs des chutes de tension totale htN , ohmique µN , magnétique hmN . Calculer la chute relative de tension totale δU = 100. UhNt . - Comparer les valeurs nominales mesurées et celles indiquées sur la plaque signalétique. - Dans le but de prédéterminer la caractéristique de réglage iex = f (I) pour U = UN et N = NN , compléter le tableau ci-dessous : I ht Ev iex Courbe de réglage : A V V A U = UN = · · · V N = NN = · · · tr/mn - Tracer la caractéristique et positionner le point de fonctionnement nominal. - Interpréter l’allure de la caractéristique obtenue. - Quel est l’intérêt du relevé de la caractéristique de réglage d’une génératrice à courant continu ? - Déduire une application pratique dans le cadre de la production de l’énergie sous tension et vitesse imposées constantes. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 46 TP 03-b GENERATRICE A COURANT CONTINU A EXCITATION EN DERIVATION I. Objectifs - Etudier le fonctionnement d’une génératrice à excitation en dérivation en charge. - Observer et vérifier les conditions de son amorçage. - Relever sa caractéristique externe et ses caractéristiques de chute de tension. - Déduire sa caractéristique de réglage à partir des résultats obtenus lors des essais. II. Préparation 1. Décrire brièvement le phénomène d’amorçage d’une génératrice à excitation en dérivation. 2. Pourquoi la caractéristique interne d’une génératrice à excitation en dérivation doit être relevée en mode excitation indépendante ? 3. Pourquoi la f.e.m à vide, c’est-à-dire la f.e.m créé par l’enroulement inducteur seul, contrairement à une génératrice à excitation indépendante, varie lors du fonctionnement en charge ? 4. Quel est le principal avantage d’une génératrice à excitation en dérivation par rapport à une génératrice à excitation indépendante ? III. Identification de la machine étudiée La machine étudiée devra être la même que celle expérimentée lors du TP 03-a. III.1. Plaque signalétique - Rappeler les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Identifier ses différents enroulements sur la plaque à bornes. - Vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements induit et inducteur. III.2. Mesure des résistances - Rappeler les valeurs des résistances, à froid et à chaud, des enroulements induit et inducteur. IV. Essai à vide La caractéristique interne d’une génératrice à excitation en dérivation est obtenue en réalisant un essai à vide en excitation indépendante à vitesse nominale. - Noter, dans le tableau de mesure ci-dessous, les valeurs du courant iex et de la f.e.m Ev de la caractéristique moyenne relevée lors de l’essai à vide effectué dans le TP 03-a. Caractéristique à vide nominale : Ev V iex A _______________________ A. Mechernene & M. Loucif N = NN = · · · tr/mn I =0A 47 V. Amorçage de la génératrice à excitation en dérivation Il s’agit d’étudier le phénomène d’amorçage de la génératrice à excitation en dérivation à vide et de vérifier les opérations nécessaires pour que la machine délivre une f.e.m, afin qu’elle débite un courant lors de sa mise en charge. V.1. Schéma de montage La machine étudiée sera entraı̂née en rotation par un moteur à excitation en dérivation, alimenté sous sa tension nominale et avec excitation réglable par un rhéostat de champ, afin de régler la vitesse du groupe [moteur + génératrice]. Attention : Les manipulations concernant de l’amorçage de la génératrice, ne devront être réalisées que sous la surveillance de l’enseignant. V.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Ouvrir le circuit de charge (interrupteur S ouvert). - Ouvrir le circuit d’excitation, régler le rhéostat de champ de la génératrice à sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entrainement, puis ajuster la vitesse de rotation à la valeur N = NN . - Observer sur le voltmètre l’existence d’une f.e.m rémanente aux bornes de l’induit. - Fermer le circuit d’excitation, deux cas peuvent se présenter : - La valeur de la f.e.m diminue, la génératrice ne peut-être amorcée ; il est alors nécessaire d’inverser les connexions de l’enroulement inducteur, ou d’inverser le sens de la rotation du moteur après son l’arrêt. - La valeur de la f.e.m augmente, la génératrice peut-être amorcée, il suffira de diminuer progressivement la résistance du rhéostat de champ jusqu’à obtenir une tension d’induit à vide voisine de la tension nominale. - Une fois l’amorçage obtenu, arrêter le moteur et inverser son sens de rotation en permutant les connexions de son circuit d’excitation, puis redémarrer. Constater que la génératrice ne peut pas s’amorcer. - Rétablir l’excitation de la génératrice dans le sens correct pour obtenir l’amorçage. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 48 - La génératrice étant amorcer et tournant à la vitesse nominale, agir sur la valeur du rhéostat de champ afin de désamorcer la machine. - Déterminer de manière expérimentale la valeur critique de la résistance du rhéostat de champ permettant de désamorcer la génératrice à vitesse nominale. - Régler la résistance du rhéostat de champ pour obtenir une tension d’induit à vide égale à la valeur de la tension nominale, agir sur la la valeur de la vitesse de rotation afin de désamorcer la machine. - Déterminer de manière expérimentale la valeur critique de la vitesse permettant de désamorcer la génératrice pour le réglage considéré du rhéostat de champ. - Ramener le courant d’excitation iex de la génératrice à son minimum avant la coupure de son circuit inducteur, puis couper la tension d’alimentation du moteur d’entraı̂nement. - Après l’arrêt du moteur, mesurer la valeur de la résistance du rhéostat de champ. - Calculer à l’aide de la caractéristique interne, la valeur critique de la résistance du rhéostat de champ permettant de désamorcer la génératrice à la vitesse nominale. - Calculer à l’aide de la caractéristique interne, la valeur critique de la vitesse permettant de désamorcer la génératrice pour le réglage considéré du rhéostat de champ. - Comparer les valeurs critiques expérimentales et calculées. VI. Essai en charge Il s’agit d’étudier l’influence du courant débité par la génératrice, sur la tension délivrée aux bornes de l’enroulement d’induit. Pour cela, on trace la caractéristique externe de la machine fonctionnant en charge, à la vitesse de rotation nominale et avec la résistance totale de son circuit d’excitation maintenue constantes. U = f (I ) à N = NN = constante et Rd + Rhd = constante VI.1. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Ouvrir l’interrupteur S et régler le rhéostat de champ sur sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entrainement, amorcer la génératrice et ajuster la vitesse de rotation de la génératrice à sa valeur nominale. - Fermer l’interrupteur K et charger la machine à l’aide du rhéostat de charge Rch , puis chercher à obtenir le régime nominal de la génératrice [UN ;IN ;NN ] en ajustant successivement la résistance de charge, le courant d’excitation et la vitesse de rotation. - Relever les coordonnées du point de fonctionnement nominal et l’intensité du courant d’excitation. - Agir sur le rhéostat de charge afin de faire varier l’intensité du courant I débité depuis 1,20.IN jusqu’à I = 0 ; relever l’intensité I du courant débité et la valeur de la tension aux bornes de l’induit U , en maintenant la résistance du rhéostat de champ (Rhd = constante) et la vitesse de rotation constantes (N = NN = constante). - Noter la valeur de la tension à vide. - Relever pour chaque régime de fonctionnement l’intensité iex du courant d’excitation. - Arrêter le moteur d’entraı̂nement en coupant sa tension d’alimentation. - Mesurer la valeur Rhd de la résistance du rhéostat de champ ajustée pendant l’essai en charge. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 49 - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Essai en charge : I U iex N = NN = · · · tr/mn Mesures Rhd = · · · Ω A V A VI.2. Exploitation des résultats - Effectuer la construction graphique de Picou, pour N = NN et Rd + Rhd = constante, en suivant les étapes suivantes : - Tracer la caractéristique interne Ev = f (iex ) et la droite des inducteurs U = f (iex ) à l’aide des résultats des mesures, positionner le point de fonctionnement à vide. - Tracer la caractéristique externe et la caractéristique de chute de tension ohmique µ = f (I). - Déterminer graphiquement les valeurs de la chute de tension totale ht pour les différentes intensités du courant de charge comprises entre 1,20.IN et I = 0 ; déduire les valeurs correspondantes de la chute de tension magnétique hm . - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : I U µ hm ht Détermination des chutes de tension par la construction de Picou N = NN = · · · tr/mn Rhd = · · · Ω A V V V V - Tracer sur un même repère, pour N = NN et Rd + Rhd = constante, la caractéristique externe U = f (I), les caractéristiques de chute de tension magnétique hm = f (I) et totale ht = f (I). - Positionner le point de fonctionnement à vide et le point de fonctionnement nominal en charge sur les différentes caractéristiques et interpréter les allures obtenues. - Donner, pour le régime nominal, les valeurs des chutes de tension totale htN , ohmique µN , magnétique hmN . Calculer la chute relative de tension totale δU = 100. UhNt . - Comparer les caractéristiques externe et de chute de tension obtenues pour les deux modes d’excitation de la génératrice (indépendante et en dérivation). - Retrouver graphiquement la valeur Rhd de la résistance du rhéostat de champ ajustée pendant l’essai en charge. Comparer les deux valeurs, mesurée et calculée. VII. Essai en charge - Caractéristique de réglage Il s’agit de déterminer l’intensité du courant d’excitation que l’on doit faire circuler dans le circuit inducteur, pour que la tension aux bornes de la génératrice soit maintenue constante, lorsque le courant débité varie. Pour cela, on trace la caractéristique de réglage de la machine fonctionnant en charge, avec sa tension d’induit et sa vitesse de rotation maintenues constantes à leurs valeurs nominales. iex = f (I ) _______________________ A. Mechernene & M. Loucif à U = UN = constante et N = NN = constante 50 VI.1. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Ouvrir l’interrupteur S et régler le rhéostat de champ sur sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entrainement et amorcer la génératrice et ajuster la vitesse de rotation à sa valeur nominale. - Fermer l’interrupteur K et charger la machine à l’aide du rhéostat de charge Rch , puis chercher à obtenir le régime nominal de la génératrice [UN ;IN ;NN ] en ajustant successivement la résistance de charge, le courant d’excitation et la vitesse de rotation. - Relever les coordonnées du point de fonctionnement nominal et l’intensité du courant d’excitation. - Agir sur le rhéostat de charge afin de faire varier l’intensité du courant I débité depuis 1,20.IN jusqu’à I = 0 ; relever l’intensité I du courant débité et l’intensité iex du courant d’excitation, en maintenant la tension aux bornes de la génératrice et la vitesse constantes et égales à leurs valeurs nominales (U = UN et N = NN ). - Noter l’intensité iex du courant d’excitation à vide. - Arrêter le moteur d’entraı̂nement en coupant sa tension d’alimentation. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : I iex Courbe de réglage : A A U = UN = · · · V N = NN = · · · tr/mn VI.2. Exploitation des résultats - Tracer la caractéristique iex = f (I) pour la tension U = UN et la vitesse N = NN , positionner le point de fonctionnement nominal. - Interpréter l’allure de la caractéristique obtenue. - Comparer les caractéristiques de réglage obtenues pour les deux modes d’excitation de la génératrice (indépendante et en dérivation). _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 51 THEME 4 MOTEURS A COURANT CONTINU Rappel théorique TP 04-a : Moteur à courant continu à excitation en dérivation TP 04-b : Moteur à courant continu à excitation en série Complément théorique 4 MOTEURS A COURANT CONTINU 1. Réversibilité de la machine à courant continu La machine à courant continu est réversible, c'est-à-dire que la constitution d'une génératrice (G) est identique à celle du moteur (M). Dans une génératrice, on met la machine en rotation pour obtenir de l’énergie électrique. Dans un moteur, on applique une tension électrique la machine pour obtenir la rotation. Figure 1 En fonctionnement moteur, l’inducteur est alimenté par une tension continue et produit un champ magnétique constant. L’induit est alimenté par une source de courant continu. Le champ inducteur agit sur ses conducteurs en leur appliquant des forces électromagnétiques. Ces forces électromagnétiques produisent un couple moteur qui entraîne l’induit en rotation. 2. Comportement mécanique selon le mode d’excitation Excitation séparée ou indépendante Ce mode d’excitation offre à l’utilisateur une vitesse de rotation indépendante de la charge et réglable par action sur la tension d’induit ou sur le courant d’excitation. Excitation dérivation ou shunt Les propriétés du moteur à excitation dérivation sont les mêmes que celle du moteur à excitation indépendante. Ce mode d’excitation offre à l’utilisateur une fréquence de rotation pratiquement indépendante de la charge et qui peut démarrer à vide. Excitation série La vitesse de rotation du moteur varie beaucoup avec la charge et ce type de moteur a tendance à s’emballer à vide ou sous faible charge. 3. Modélisation du moteur à courant continu Expression de la force contre électromotrice L’enroulement induit en mouvement dans le champ magnétique produit par l’inducteur est le siège d’une une force contre électromotrice (f.c.e.m) E’ à ses bornes. Cette f.c.e.m est proportionnelle au nombre de conducteurs actifs de l’induit, à la vitesse de rotation n de l’induit, au flux dans l’entrefer. Son expression est donnée par la relation suivante : E' 2p Nn 2a E’ : f.c.é.m en Volts, n : vitesse de rotation de l’induit en tr/s, : flux magnétique maximum traversant les enroulements de l’induit en webers, N : nombre de conducteurs actifs de l’induit, 2p : Nombre de voie d’enroulement, 2a : Nombre de voie d’enroulement (on adopte : 2p/2a=1). En fait cette force électromotrice est de même nature que la f.e.m d’une génératrice, la différence entre les deux types de fonctionnement est le sens du courant induit qui s’inverse dans le fonctionnement en moteur. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 52 Tension aux bornes de la génératrice En appliquant à l’induit la convention d’un générateur, la tension qu’il délivre à ses bornes s’exprime sous la forme : U E Ra I a U et E’ : tension et f.e.m en Volts, Ra : résistance de l’induit en Ohms, Ia : courant d’induit en ampères. La convention récepteur appliquée à l’inducteur donne : U ex Rex I ex Figure 2 Uex: tension en Volts, Rex : résistance de l’inducteur en Ohms et Iex : courant d’inducteur en ampères. Vitesse de rotation En considérant la machine correctement compensée (réaction magnétique d’induit négligée), elle s’obtient à partir de l’expression de la force contre-électromotrice, soit : n 2a U Ra I a . 2p N ou n 2a U Ra I a . 2p N si 2 p 2a Lorsque le flux est nul la vitesse tend vers l’infini, le moteur s’emballe Puissance électromagnétique La puissance électromagnétique, notée Pem, est la portion de la puissance absorbée sous forme électrique qui est convertie dans l’entrefer en énergie mécanique : Pem EI a 2p NnI a UI Ra I a2 2a Couple électromagnétique Selon le principe de Laplace, un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique est soumis à une force électromagnétique. Sur ce principe, le rotor de la machine est soumis à un couple électromagnétique qui entraine en rotation le dispositif mécanique entrainé : Cem Pem EI a 2 p NnI a 2 p N I a KcI a 2a 2 a 2 Cem : couple électromagnétique en m.N), Ω : vitesse de rotation en rad.s-1, avec : Kc 2 p N 2a 2 En fait, le couple effectif (couple utile : Cu) agissant sur le dispositif entrainé est inférieur au couple électromagnétique, en effet il existe toujours un couple de pertes Cp résistant à la rotation, dut en autre aux frottements, à la ventilation, … Le couple utile est exprimé par la relation suivante : Cu Cem C p 4. Inversion du sens de rotation L’inversion du sens de rotation est obtenue en inversant, le moteur à l’arrêt, le sens du courant soit dans l’enroulement d’inducteur, soit dans l’enroulement d’induit, c'est-à-dire en modifiant les connexions de l’un ou de l’autre sur la plaque à bornes. En pratique, on préfère généralement la première méthode, celle-ci étant la plus simple. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 53 5. Le problème du démarrage En régime établit, le courant d’induit a pour expression (réaction magnétique d’induit compensée) : Ia = U - E' Ra avec E ' = K.n. A l’arrêt la vitesse est nulle, par conséquent la f.c.e.m l’est également, d’où l’expression du courant d’induit appelé au décollage : I aD = U Ra . L’enroulement d’induit est alors équivalent à une résistance Ra de valeur faible, et donc l’intensité IaD, prend pendant cette phase une valeur très importante (plusieurs fois le courant nominal). Le moteur prenant de la vitesse, la f.c.e.m croit et le courant diminue pour se stabiliser à une valeur acceptable et dépendante de la charge mécanique entrainée. Or l’intensité du courant de démarrage ne doit pas dépasser la limite admissible fixée par le constructeur. Il est donc nécessaire de limiter la pointe de courant durant la phase de démarrage. Au regard de la relation précédant, deux procédés peuvent être utilisés par : Action sur la résistance du circuit d’induit par insertion d’une résistance en série avec l’induit ; Action sur la tension d’induit par application d’une tension d’induit réduite. 6. Le phénomène d’emballement En pratique, la chute de tension ohmique (Ra . Ia) ne dépasse quelques % de la tension appliquée, ce qui permet d’exprimée la vitesse sous la forme : n U U = K.Φ K. I ex On constate, que pour une tension d’alimentation fixée, la vitesse est inversement proportionnelle au flux, et donc dans le cas d’une coupure du courant d’excitation, l’induit étant toujours sous tension : I ex = 0 remanent 0 , et donc : lim (n) = lorsque : 0 !!! Ce qui correspond à une accélération violente de l’arbre moteur, la vitesse tend alors vers une valeur non admissible pour le moteur (contraintes mécaniques excessives sur les conducteurs de l’induit, les cales et toutes les pièces en rotation). La vitesse atteinte sera d’autant plus grande que la tension d’alimentation sera élevée. C’est le phénomène d’emballement, il peut avoir pour conséquence la destruction du moteur, si sa tension d’alimentation n’est pas rapidement coupée. La rupture du circuit d’excitation a pour conséquence l’emballement du moteur. Il est donc nécessaire de porter un soin particulier à son branchement. Ne jamais y insérer de fusible ou de dispositif de coupure 7. Réglage de la vitesse Le réglage de la vitesse des moteurs à courant continu dans une large plage de variation est relativement simple. En effet, l’expression la vitesse montre qu’elle est non seulement inversement proportionnelle au flux, c'est-à-dire au courant d’excitation, mais également à la tension appliquée aux bornes de l’induit. On peut donc définir les deux procédés de réglage de vitesse suivant : Réglage par action sur la tension d’induit Il consiste à faire varier le courant d’excitation à l’aide du rhéostat de champ, en gardant la tension d’alimentation constante, ce qui a pour effet de modifier la valeur de la vitesse : soit : Rhd ↑ Iex ↓ ↓ n↑ et : Rhd ↓ Iex ↑ ↑ n↓ _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 54 C’est un procédé de réglage simple, efficace et largement employé pour les essais de machines tournantes. Toutefois, sachant que le démarrage du moteur doit toujours être effectué à flux maximal (rhéostat de champ court-circuité), si la tension nominale est appliquée alors nous n’avons plus la possibilité de diminuer la vitesse. Dans ces conditions ce procédé est utilisé pour faire croitre la vitesse au de la de sa valeur nominale (tout en respectant sa valeur maximale). Réglage par action sur courant d’excitation Il s’agit de régler la tension d’alimentation, sans modifier le rhéostat d’excitation, ce qui a pour effet de modifier la valeur de la vitesse : soit : U↑ n↑ et : U↓ n↓ Si le flux est réglé à sa valeur maximale, la tension d’alimentation étant limitée à sa valeur normale, cette méthode ne permet pas l’augmentation de la vitesse au-dessus la valeur nominale. Ce mode de réglage simple autorise la réduction à volonté de la vitesse du moteur, mais présente l’inconvénient de nécessiter une alimentation continue réglable. 8. Le moteur shunt Schéma équivalent Ce mode d’excitation permet de pas utilisée de source auxiliaire pour l’excitation. U : Tension d’alimentation, Rhd : Rhéostat d’excitation (ou de champ), Rd : Résistance de l’enroulement inducteur, Id : Courant d’excitation, n : Vitesse de rotation Figure 3 E’ : Force contre électromotrice, Ra : Résistance de l’enroulement induit, Ia : Courant d’induit. I Ia Id I : Courant absorbé par le moteur, avec Id U Rd Rhd Caractéristiques de vitesse à vide La caractéristique n = f (Id) à courant d’excitation variable a l’allure d’une portion d’hyperbole. Pour un courant d’excitation constant (c’est-à-dire à flux constant), la fréquence de rotation à vide est proportionnelle à la tension d’alimentation. La caractéristique n = f (U) pour Id constant est donc une droite. Figure 4 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Figure 5 55 Caractéristique électromécanique de vitesse Pour une tension d’alimentation constante et un courant d’excitation constant, la vitesse de rotation en charge diminue faiblement quand le courant absorbé par le moteur augmente. La caractéristique en charge n = f (I) pour U et Id constants est une droite. Le moteur shunt est autorégulateur de vitesse Caractéristique électromécanique de couple La caractéristique électromagnétique Cem = f (I) pour U et Id constants est une droite passant par l’origine (Cem = k.I). Figure 6 Caractéristique mécanique La caractéristique mécanique Cem = f (n) pour U et Id constants est une droite. La vitesse de rotation du moteur diminue peu lorsque la charge augmente. Le couple de démarrage est important. Figure 7 Figure 8 Bilan des puissances et rendement Les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge du moteur shunt sont : - Puissance absorbée : Pabs UI - Puissance utile : Pu Cu - Pertes supplémentaires (magnétiques, frottement, ventilation, …) : - Pertes joules dans l’induit : Pja Ra I a2 - Pertes joules dans l'inducteur : Pjex Rd Rhd I d2 UI d pméca C p Le rendement est calculé par la relation suivante : Pu Pu Pa Pu pertes ou Pu Pa pertes Pa Pa 9. Le moteur série Schéma équivalent U : Tension d’alimentation, I = Ia = Is : Courants absorbé par le moteur, d’induit et d’excitation, Ra : Résistance de l’enroulement induit, Rs : Résistance de l’enroulement inducteur, Rt = Ra + R s : Résistance totale du moteur, n : Vitesse de rotation, E’ : Force contre électromotrice. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Figure 9 56 Le moteur à excitation série a la particularité d’avoir un inducteur qui est traversé par le même courant que l’induit, donc beaucoup plus important que celui des machines à excitation indépendante ou shunt. L’inducteur possède donc une résistance plus faible que celle des autres types de machines. En raison du courant d’excitation élevé, pour avoir un flux du même ordre que les autres types de machines, le nombre de spires doit être diminué et la section doit être augmentée. D’où une résistance plus faible. U E ' Ra I a Rs I s U E ' Ra Rs I U E ' Rt I U Nn I N Rt I avec : Donc : n U Rt I NI A vide : I 0, donc (I) 0 et n tend vers l’infini. Un moteur à excitation série ne doit jamais fonctionner à vide sous tension nominale. Caractéristique électromécanique de vitesse Pour une tension d’alimentation constante, la vitesse de rotation en charge diminue quand le courant absorbé par le moteur augmente. La caractéristique en charge n = f (I) pour U constant est une portion d’hyperbole. Caractéristique électromécanique de couple La caractéristique électromagnétique Cem = f (I) pour U est donc de forme parabolique (Cem = k.I2 ). Figure 10 Caractéristique mécanique La caractéristique mécanique Cem = f (n) pour U constants est de forme hyperbolique. Le moteur série est autorégulateur de puissance. Réglage de la vitesse de rotation Pour réduit le flux magnétique par pôle, et augmenter la vitesse dans des proportions raisonnables, on place un rhéostat en parallèle avec l’inducteur. Figure 10 Figure 11 Bilan des puissances et rendement Les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge du moteur série sont : - Puissance absorbée : Pabs UI - Puissance utile : Pu Cu - Pertes supplémentaires : pméca C p - Pertes joules totales : Pjt Ra Rs I 2 Rt I 2 Figure 12 Le rendement est calculé par la relation suivante : _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Pu Pu Pa Pu pertes ou Pu Pa pertes Pa Pa 57 TP 04-a MOTEUR A EXCITATION EN DERIVATION MOTEUR SHUNT I. Objectifs - Etudier le fonctionnement d’un moteur shunt, à vide et en charge, sous tension constante. - Relever la caractéristique de vitesse à vide en fonction du courant d’excitation. - Relever les caractéristiques électromécaniques de vitesse et de courant. - Relever la caractéristique mécanique. - Déterminer la valeur du rendement nominal par la méthode des pertes séparées. II. Préparation 1. Que se passe t-il au démarrage d’un moteur à courant continu ? Citer deux procédés employés pour démarrer ce type de moteur. 2. Quel phénomène peut-on observer en cas de coupure du circuit d’excitation d’un moteur shunt ? L’emploi d’un fusible ou d’un disjoncteur à maximum de courant protégerait-il le moteur contre ce type d’incident ? Proposer un dispositif de protection pouvant convenir. 3. Justifier le fait que le moteur shunt soit qualifié d’auto-régulateur de vitesse ? Pour quelles raisons ce moteur est-il particulièrement bien adapté aux applications exigeant une vitesse de rotation quasi-constante, ou un réglage de la vitesse dans de larges limites ? III. Identification de la machine étudiée III.1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Identifier ses différents enroulements sur la plaque à bornes. - Vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements induit et inducteur. III.2. Mesure des résistances On utilisera la méthode voltampèremétrique, avec une alimentation en courant continu, en se plaçant le plus près possible des conditions nominales. On considérera la résistance d’un enroulement comme la moyenne des mesures effectuées. Aussi, trois mesures seront réalisées autour du courant nominal ou de la tension nominale, pour l’enroulement inducteur et autour du courant nominal, correspondantes à trois positions de l’arbre moteur pour l’enroulement induit. - Proposer un schéma de montage et un mode opératoire pour la mesure de la résistance de chacun des enroulements de la machine. - Réaliser et faire vérifier chacun des montages. - Faire les mesures et en déduire la valeur des résistances à chaud. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 58 IV. Essai à vide à courant d’excitation variable Il s’agit d’étudier l’influence du courant d’excitation sur la vitesse de rotation, lorsque le moteur n’entraine pas de charge mécanique, pour la tension d’alimentation maintenue constante, la machine fonctionnant à vide. Pour cela on trace la caractéristique de vitesse à courant d’excitation variable. N = f (iex ) à U = constante et Cr = 0 mN IV.1. Schéma de montage Le moteur étudié entrainera en rotation une génératrice balance avec excitation en dérivation débitant dans un rhéostat d’absorption, ce qui assurera son fonctionnement en charge et permettra la mesure directe du couple moteur. L’essai sera effectué pour deux valeurs de la tension d’alimentation : U = UN et U = UN /2. IV.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Assurer vous que la tension d’alimentation est ajustée sur sa valeur minimale. - Régler le rhéostat de champ à sa valeur minimale (Rhd = 0 Ω) pour imposer un flux maximal. • Essai à courant d’excitation variable pour la tension nominale U = UN = constante - Alimenter le moteur et augmenter progressivement la tension jusqu’à sa valeur nominale U = UN que l’on devra maintenir constante. - Augmenter la résistance du rhéostat de champ jusqu’à la valeur maximale de la vitesse de rotation (environ 1,4.NN ) et relever les valeurs (NN de la vitesse et (iex du courant d’excitation correspondantes. • Essai à courant d’excitation variable pour la tension U = UN /2 = constante - Régler le rhéostat de champ à sa valeur minimale. - Ajuster la tension à la moitié de sa valeur nominale que l’on devra maintenir constante. - Refaire les mêmes mesures. - Pour arrêter le moteur, ramener le rhéostat de champ à sa valeur minimale. - Couper la tension d’alimentation. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 59 - Compléter le tableau de mesure ci-dessous. Essai à vide avec excitation variable : N tr/mn iex A Essai à vide avec excitation variable : N tr/mn iex A U = UN = · · · Volts Cr = 0 mN U = UN /2 = · · · Volts Cr = 0 mN IV.3. Exploitation des résultats - Tracer, sur un même repère, les caractéristique de vitesse à vide pour les tensions d’alimentation du moteur : U = UN et U = UN /2. - Interpréter l’allure des caractéristiques obtenues. - Commenter l’influence de la tension d’alimentation sur la vitesse du moteur. V. Essai en charge Il s’agit d’étudier l’influence de la charge entrainée sur la vitesse de rotation, le courant absorbé et le couple développé par le moteur, pour la tension d’alimentation et la résistance du circuit d’excitation maintenues constantes. Pour cela on trace : • la caractéristique électromécanique de vitesse : N = f (I) ; • la caractéristique électromécanique de couple : Cu = f (I) ; • la caractéristique mécanique : Cu = f (N ) ; à U = UN = constante et Rd + Rhd = constante V.1. Mode opératoire - Réaliser le branchement de la génératrice balance et faire vérifier le montage. - Vérifier que la tension d’alimentation du moteur et son rhéostat de champ sont ajustées à leurs valeurs minimales. - Alimenter le moteur et augmenter progressivement la tension d’alimentation jusqu’à sa valeur nominale U = UN , que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Agir sur le rhéostat d’absorption pour charger la génératrice balance et régler le courant d’excitation du moteur afin obtenir son régime nominal. - Relever pour le régime nominal du moteur, les valeurs de la tension UN , de la vitesse de rotation NN , du couple développé CuN et l’intensité du courant absorbé IN . - Pour des intensités du courant de ligne comprises entre 1,2.IN et 0, relever les valeurs N de la vitesse de rotation, Cu du couple développé par le moteur et I de l’intensité du courant absorbé, en maintenant la tension d’alimentation et la résistance du rhéostat de champ constantes. - Décharger la génératrice balance, ramener le rhéostat de champ du moteur à sa valeur minimale. - Couper la tension d’alimentation. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 60 - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Essai en charge : Mesures N tr/mn I A Cu mN U = UN = · · · Volts Rhd = · · · Ω V.2. Exploitation des résultats - Tracer les caractéristiques électromagnétiques de vitesse et de courant, puis la caractéristique mécanique, pour U = UN et Rd + Rhd = constantes. - Positionner, sur ces caractéristiques, le point de fonctionnement nominal et interpréter l’allure de chacune d’elles. - Calculer la résistance du rhéostat de champ ajustée pendant l’essai en charge. - Pour quelles caractéristiques est-il possible de définir un domaine de linéarité ? Préciser les intensités du courant d’induit ou les vitesses pour lesquelles la linéarisation est possible, donner l’équation des droites obtenues. - Calculer les valeurs absolue et relative de la chute de vitesse au régime nominal, commenter. - Comparer les résultats obtenus au régime nominal avec les indications données sur la plaque signalétique. VI. Détermination du rendement pour le régime nominal Il s’agit de déterminer la valeur du rendement au régime nominal par la méthode des pertes séparées, il est donc nécessaire d’établir le bilan des différentes pertes de puissance du moteur séparément. Les pertes joules sont alors calculées et les pertes collectives sont déterminer à l’aide d’un essai à vide en moteur à excitation indépendante, avec la vitesse et le flux magnétique nominaux. VI.1. Mode opératoire - Calculer la valeur U = U0 de la tension d’alimentation à imposer lors de l’essai à vide, en moteur à excitation indépendante, pour déterminer les pertes collectives. - Proposer un schéma de montage et un mode opératoire pour l’essai à vide en moteur à excitation indépendante. - Réaliser et faire vérifier le montage. - Vérifier que le moteur tourne bien à la vitesse nominale et relever, pour l’intensité iex = iexN et la tension d’alimentation U = U0 , l’intensité I0 du courant absorbé par le moteur. - Ramener le rhéostat de champ à sa valeur minimale, puis couper la tension d’alimentation. VI.2. Exploitation des résultats - Calculer la valeur des pertes joules totales du moteur pour le régime nominal. - Etablir le bilan des puissances pour l’essai à vide, puis calculer la valeur des pertes collectives. - Déduire la valeur du rendement nominal ηN obtenue par la méthode des pertes séparées. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 61 TP 04-b MOTEUR A EXCITATION EN SERIE MOTEUR SERIE I. Objectifs - Etudier le fonctionnement d’un moteur série sous tension constante. - Relever les caractéristiques électromécaniques de vitesse et de courant. - Relever la caractéristique mécanique. - Déterminer la valeur du rendement nominal par la méthode des pertes séparées. II. Préparation 1. Expliquer pourquoi ce moteur ne doit jamais fonctionner à vide et doit être impérativement accouplé à une charge mécanique ? 2. Comment peut-on régler la valeur de la vitesse de rotation d’un moteur série. Comment peut-on inverser son sens de rotation ? 3. Montrer, au regard des allures de leurs caractéristiques mécaniques, les différences de comportement en termes de vitesse et de couple caractérisant les moteurs à excitation shunt et série lorsque leur charge mécanique varie. 4. Justifier le fait que le moteur série soit qualifié d’auto-régulateur de puissance ? Pour quelles raisons ce moteur est-il particulièrement bien adapté aux applications telles que la traction électrique ou le levage de charge ? III. Identification de la machine étudiée III.1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Identifier ses différents enroulements sur la plaque à bornes. - Vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements induit et inducteur. III.2. Mesure des résistances On utilisera la méthode voltampèremétrique, avec une alimentation en courant continu, en se plaçant le plus près possible des conditions nominales. On considérera la résistance d’un enroulement comme la moyenne des mesures effectuées. Aussi, trois mesures seront réalisées autour du courant nominal ou de la tension nominale, pour l’enroulement inducteur et autour du courant nominal, correspondantes à trois positions de l’arbre moteur pour l’enroulement induit. - Proposer un schéma de montage et un mode opératoire pour la mesure de la résistance de chacun des enroulements de la machine. - Réaliser et faire vérifier chacun des montages. - Faire les mesures et en déduire la valeur des résistances à chaud. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 62 IV. Essai en charge Il s’agit d’étudier l’influence de la charge entrainée sur la vitesse de rotation, le courant absorbé et le couple développé par le moteur, pour la tension d’alimentation constante. Pour cela on trace : • la caractéristique électromécanique de vitesse : N = f (I) ; • la caractéristique électromécanique de couple : Cu = f (I) ; • la caractéristique mécanique : Cu = f (N ) ; à U = constante L’essai sera effectué pour deux valeurs de la tension d’alimentation : U = UN et U = 0, 75.UN . IV.1. Schéma de montage Le moteur étudié entrainera en rotation une génératrice balance avec excitation indépendante débitant dans un rhéostat d’absorption, ce qui assurera son fonctionnement en charge et permettra la mesure directe du couple moteur. IV.2. Mode opératoire - Réaliser le branchement du moteur et de la génératrice balance et faire vérifier le montage. - Avant de démarrer le moteur, mettre en service les résistances du rhéostat d’absorption de la génératrice balance et fermer son circuit d’induit. - Fermer son circuit d’excitation et ajuster son courant au voisinage de sa valeur nominale. - Vérifier que la tension d’alimentation du moteur est ajustée à sa valeur minimale. • Essai en charge avec la tension nominale U = UN = constante - Alimenter le moteur, et augmenter progressivement sa tension alimentation jusqu’à sa valeur nominale U = Un que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Agir sur le rhéostat d’absorption de la génératrice afin obtenir le régime nominal du moteur. - Relever pour le régime nominal du moteur, les valeurs UN de la tension, NN de la vitesse de rotation, CuN du couple utile et IN de l’intensité du courant absorbé. - Pour des régimes de fonctionnement compris entre 1,2.IN et 1,4.NN , relever les valeurs N de la vitesse de rotation, I de l’intensité du courant absorbé et Cu du développé par le moteur. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 63 • Essai en charge avec la tension U = 0, 75.UN = constante - Ramener le moteur au régime nominal par action sur le rhéostat d’absorption. - Ajuster la tension d’alimentation du moteur à U = 0, 75.UN , valeur que l’on devra maintenir constante. - Refaire les mêmes mesures. - Couper la tension d’alimentation pour arrêter le moteur. - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Essai en charge sous la tension nominale : N tr/mn I A Cu mN Essai en charge sous la tension : N tr/mn I A Cu mN U = UN = · · · Volts U = 0, 75.UN = · · · Volts IV.3. Exploitation des résultats - Tracer les caractéristiques électromagnétiques de vitesse et de courant, puis la caractéristique mécanique, pour U = UN et U = 0, 75.UN . - Positionner, sur ces caractéristiques, le point de fonctionnement nominal et interpréter l’allure de chacune d’elles. - Quelle est l’influence de la tension d’alimentation sur ces caractéristiques ? - Comparer les résultats obtenus avec les indications données sur la plaque signalétique. V. Détermination du rendement pour le régime nominal Il s’agit de déterminer la valeur du rendement au régime nominal par la méthode des pertes séparées, il est donc nécessaire d’établir le bilan des différentes pertes de puissance du moteur séparément. V.1. Mode opératoire - Calculer la valeur U = U0 de la tension d’alimentation à imposer lors de l’essai à vide, en moteur à excitation indépendante, pour déterminer les pertes collectives. - Proposer un schéma de montage et un mode opératoire pour l’essai à vide en moteur à excitation indépendante. - Réaliser et faire vérifier le montage. - Faire les mesures nécessaires, puis couper la tension d’alimentation pour arrêter le moteur. V.2. Exploitation des résultats - Calculer la valeur des pertes joules totales du moteur pour le régime nominal. - Etablir le bilan des puissances pour l’essai à vide, puis calculer la valeur des pertes collectives. - Déduire la valeur du rendement nominal ηN obtenue par la méthode des pertes séparées. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 64 THEME 5 MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES Rappel théorique TP 05-a : Moteur asynchrone triphasé à cage TP 05-b : Moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné Complément théorique 5 MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES 1. Présentation La machine asynchrone est la machine électrique la plus utilisée dans le domaine des puissances supérieures à quelques kilowatts car elle offre alors le meilleur rapport qualité prix. Surtout depuis l'apparition dans les années 1970 de variateurs permettant de faire varier la fréquence de rotation du moteur dans une large gamme. Cette machine peut, selon sa construction, être alimentée par un réseau monophasé ou polyphasé (généralement triphasé car c'est celui de la distribution). Bien que réversible, la machine asynchrone est principalement (mais pas exclusivement) utilisée en moteur. Figure 1 En fonctionnement moteur, l’inducteur est alimenté par une tension continue et produit un champ magnétique constant. L’induit est alimenté par une source de courant continu. Le champ inducteur agit sur ses conducteurs en leur appliquant des forces électromagnétiques. Ces forces électromagnétiques produisent un couple moteur qui entraîne l’induit en rotation. La machine se compose de deux pièces principales : Le stator est une pièce construite en matériau ferromagnétique, servant de support et incluant un bobinage relié au réseau ou à un variateur de vitesse. Le rotor est un cylindre en matériau ferromagnétique fixé au stator par des paliers. Il comporte un enroulement constitué de conducteurs en court-circuit parcourus par des courants induits par le champ magnétique créé par les courants statoriques. C'est la principale différence avec une machine synchrone, laquelle a un rotor avec un champ magnétique provenant d'aimants permanents ou de bobines alimentées en courant continu. Figure 2 L'origine du terme asynchrone est due à cet écart de vitesse entre le champ tournant du stator et la vitesse de rotation du rotor, nécessaire à l'existence d'un couple. Pour un moteur asynchrone à cage, les courants sont induits dans les barreaux de la cage d’écureuil et se referment par les anneaux d’extrémité du rotor. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 65 2. Principe de fonctionnement Champ tournant Le principe de fonctionnement de la plupart des machines tournantes à courant alternatif s'appuie sur la création d'un champ magnétique tournant auquel est soumise une partie libre en rotation. En particulier dans le cas du moteur asynchrone, c'est ce champ qui est responsable de la rotation de la machine. Le stator ou inducteur est constitué de trois enroulements (bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasés. Les 3 courants alternatifs équilibrés créent un champ magnétique tournant unique et constant (Théorème de Ferraris). Figure 3 Alimenté par un réseau triphasé de fréquence f, le stator crée 2p pôles inducteurs et un champ tournant à la fréquence de synchronisme nS telle que : ns f p ns en tr/s, f en Hz et p : nombre de paires de pôles. La fréquence de synchronisme est un sous-multiple entier de la fréquence de l'alimentation électrique : En 50 Hz c'est un sous-multiple de 3 000 tr/min, soit : 3 000 ; 1 500 ; 1 000 ; 750, etc. En 60 Hz c'est un sous-multiple de 3 600 tr/min, soit : 3 600 ; 1 800 ; 1 200 ; 900, etc. Dans un moteur asynchrone la vitesse du rotor est inférieure à la vitesse de synchronisme, le glissement correspond à la différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique exprimée sous la forme d'un pourcentage de la fréquence de rotation. g n s ns . 1 g s s. La vitesse angulaire peut alors être calculée par la relation suivante : avec : 1 g s : la vitesse angulaire de synchronisme du champ statorique dans la machine, : la vitesse angulaire de rotation de la machine, Lors du fonctionnement en moteur, sa valeur est de quelques pour cent en régime permanent, tandis qu’elle croit lorsque la charge subit une augmentation. Principe Le principe de fonctionnement du moteur asynchrone repose sur les lois de l’induction. L’enroulement statorique, étant alimenté par des courants triphasés de pulsation s 2. .f , crée un champ magnétique tournant à la vitesse dite de synchronisme. Ce champ induit alors dans les phases de l’enroulement rotorique des forces électromotrices, ce qui a pour conséquence la naissance de courants dans les conducteurs du rotor de pulsation s égale à celle du réseau. Ces courants tendent à s’opposer aux variations de flux dans les spires du rotor, provoquant ainsi la création d’un couple électromagnétique. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 66 La partie tournante, sous l’action de ce couple entre en rotation et subit une accélération qui ne s’annulera qu’avec l’équilibre des couples moteur et résistant. Lorsque le rotor tourne à la vitesse Ω, la pulsation des courants rotoriques est : r s p. Celle-ci diminuant avec la croissance de la vitesse, les forces électromotrices, les courants induits et donc le couple électromagnétique s’annulent pour l’égalité : s p. Par conséquent, la génération de couple est obligatoirement accompagnée d'un écart entre la vitesse du champ tournant produit par le stator et la vitesse de rotation du rotor. Celle-ci se stabilise à une valeur Ω proche de la vitesse synchrone Ωs. Cet écart est caractérisé par le glissement. Il est important, dans la perspective d’une commande en vitesse du moteur asynchrone, de constater que la vitesse du rotor est intimement liée à la fréquence des courants statoriques. Le rotor ou induit est siège de courants induits circulant dans des enroulements qui peuvent être: - bobinés et reliés à l’extérieur par 3 bagues tournantes, ce qui permet de modifier la caractéristique de couple de la machine. - à cage d’écureuil, constitués de barres court-circuitées aux extrémités par des anneaux et sans liaison vers la partie fixe. Sens de rotation. Lorsque le moteur est alimente en U1–V1–W1 ou 1U–1V–1W par un réseau direct L1–L2–L3, il tourne dans le sens horaire lorsqu’on est place face au bout d’arbre. En permutant l’alimentation de 2 phases, et seulement deux, le sens de rotation sera inverse (il y aura lieu de s’assurer que le moteur a été conçu pour les 2 sens de rotation). Raccordement au réseau Les constructeurs indiquent en général deux tensions sur la plaque signalétique du moteur. C’est la tension la plus faible qui correspond à la tension d'emploi Ue de chaque bobinage. - Si le réseau triphasé à une tension entre phases (tension composée U) de même valeur que Ue, on peut directement alimenter chaque bobinage sous cette tension. Le couplage est le couplage triangle. - Si le réseau d'alimentation triphasé à une tension entre le neutre et chacune des phases (tension simple V) de même valeur que Ue, la tension composée du réseau est : U V 3 On ne peut pas alimenter directement chaque bobinage sous cette tension. Le couplage utilisé coté moteur sera le couplage étoile. Figure 4 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 67 3. Caractéristique mécanique C’est la caractéristique Cu = f (n) sous tension et fréquence constantes. Elle présente une zone linéaire au voisinage du synchronisme : c’est la zone de fonctionnement du moteur après le démarrage. Le couple utile y est proportionnel au glissement. Cu = k.g. Cette partie de la courbe est très verticale et donc la vitesse varie faiblement avec la charge. Le couple de démarrage est élevé, le moteur asynchrone peut donc démarrer en charge. Figure 5 4. Bilan énergétique du moteur asynchrone L'arbre des puissances donne le bilan de puissance mises en jeu lors du fonctionnement du moteur asynchrone : Figure 6 Les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge du moteur série sont : - Puissance absorbée : Pabs 3UI cos Ptr Pa Pjs p fs - Puissance transmise (sous forme électromagnétique) : - PM Cem Ptr 1 g Puissance mécanique totale : Cette puissance comprend la puissance utile et les pertes mécaniques 3 Ras I 2 2 - Pertes joules stator : Pjs - Pertes joules rotor : Pjr Ptr PM Ptr Ptr 1 g gPtr - Pertes fer mécaniques : pméca - Pertes fer : p fer Le rendement est calculé par la relation suivante : _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Pu Pu Pa Pu pertes 68 TP 05-a MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE A CAGE CARACTERISTIQUES ELECTROMECANIQUES I. Objectifs - Etudier le fonctionnement d’un moteur asynchrone triphasé à cage, sous tension constante. - Relever les caractéristiques électromécaniques de vitesse et de courant. - Relever la caractéristique mécanique. - Relever la caractéristique de rendement à l’aide de la méthode directe. II. Préparation 1. Comment déterminer le couplage des enroulements statoriques d’un moteur asynchrone, connaissant sa plaque signalétique et les tensions du réseau triphasé d’alimentation ? 2. Indiquer comment inverser le sens de rotation d’un moteur asynchrone triphasé. 3. Quelle est l’importance de l’appel de courant qui se produit lors du démarrage d’un moteur asynchrone ? Quels sont les problèmes pouvant éventuellement être posés par cette surintensité, au niveau de la charge mécanique entrainée ou de la tension du réseau d’alimentation ? 4. Dans quelles proportions évolue la vitesse d’un moteur asynchrone lorsque sa charge varie ? Donner le principe de quelques procédés de réglage de la vitesse d’un moteur asynchrone et citer la plage de variation de la vitesse pour chacun de ces procédés ? III. Identification de la machine étudiée III.1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Déterminer le nombre de paires de pôle, les valeurs nominales de la vitesse de synchronisme et du glissement. - A partir de ces indications et des tensions du réseau d’alimentation, déterminer le couplage des enroulements statoriques. - Identifier les différents enroulements sur la plaque à bornes. - Vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements. III.2. Mesure des résistances On utilisera la méthode voltampèremétrique, pour la mesure de la résistance apparente des enroulements statoriques de la machine, en se plaçant le plus près possible du courant nominal. - Proposer un schéma de montage et un mode opératoire. - Réaliser et faire vérifier le montage. - Faire les mesures et déduire la valeur de la résistance apparente à chaud. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 69 IV. Essai en charge Il s’agit d’étudier, sous la tension d’alimentation nominale, le comportement du moteur à vide et en charge en mettant en évidence l’évolution du courant absorbe, de la vitesse de rotation, du glissement, du couple moteur, du facteur de puissance et du rendement. IV.1. Schéma de montage Le moteur étudié entrainera en rotation une génératrice balance avec excitation en dérivation débitant dans un rhéostat d’absorption, ce qui assurera son fonctionnement en charge et permettra la mesure directe du couple moteur. √ L’essai sera effectué pour deux valeurs de la tension d’alimentation : U = UN et U = UN / 3. IV.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Vérifier que la tension d’alimentation du moteur est ajustée à sa valeur minimale. • Essai en charge sous la tension nominale U = UN = constante - Alimenter le moteur et augmenter progressivement la tension d’alimentation jusqu’à sa valeur nominale U = UN , que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Amorcer la génératrice, puis agir sur le rhéostat d’absorption pour faire varier la puissance utile du moteur, depuis le fonctionnement à vide jusqu’à environ 1,2.IN . Relever, pour six à huit points de fonctionnement, les valeurs des grandeurs N , I, Cu et les indications PA et PB des wattmètres. - Noter les valeurs NN , IN , CuN et les indications des deux wattmètres pour le régime nominal du moteur. √ • Essai en charge sous la tension U = UN / 3 = constante - Ramener le moteur à √ vide en déchargeant la génératrice balance, réduire la tension d’alimentation à la valeur U = UN / 3. - Refaire les mêmes mesures pour la nouvelle valeur de la tension d’alimentation que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Décharger le moteur, et couper la tension d’alimentation. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 70 - Compléter pour les deux valeurs de la tension d’alimentation, le tableau de mesure ci-dessous : Essai en charge : N I Cu PA PB tr/mn A m.N W W Ω Pu Pabs cosϕ g η rad/s W W / % % U = UN = · · · Volts ; Mesures f = 50 Hz Calculs IV.3. Exploitation des résultats √ - Tracer les caractéristiques suivantes pour les tensions U = UN et U = UN / 3 : I = f (Pu ) ; N = f (Pu ) ; g = f (Pu ) ; cosϕ = f (Pu ) ; Cu = f (Pu ) ; η = f (Pu ). - Positionner, sur ces caractéristiques, le point de fonctionnement nominal et interpréter l’allure de chacune d’elles. - Calculer le rapport des intensités du courant absorbé pour lors des fonctionnements à vide et au régime nominal ; comparer la valeur de ce rapport avec celui d’un transformateur. - Au regard des caractéristiques obtenues, expliquer pour quelles raisons doit-on choisir un moteur de puissance adaptée à la charge à entraı̂ner. Que se passe-t-il si l’on choisit un moteur beaucoup plus puissant que nécessaire ? - Tracer et interpréter l’allure des caractéristiques électromagnétiques de courant I = f (N ) √ et des caractéristiques mécaniques Cu = f (N ) pour U = UN et U = UN / 3. - Conclure de l’influence de la tension d’alimentation sur les performances du moteur. - Est-il possible de définir un domaine de linéarité sur les caractéristiques de courant et de couple ? Déterminer alors les équations des droites obtenues. - Complétez le tableau de mesure ci-dessous : N I(UN ) I(UN /√3) tr/mn A A kI = I(UN ) /I(UN /√3) / Cu (UN ) Cu (UN /√3) kC = Cu (UN ) /I(UN /√3) mN mN / - Comparer les valeurs obtenues pour les rapports des courants kI et des couples kC . - Comparer, pour le fonctionnement nominal, les valeurs des différentes grandeurs obtenues avec celles indiquées sur la plaque signalétique. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 71 TP 05-b MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE A ROTOR BOBINE CARACTERISTIQUES ELECTROMECANIQUES I. Objectifs - Etudier le fonctionnement d’un moteur asynchrone à rotor bobiné, sous tension constante. - Déterminer les différentes pertes de puissance et séparer les pertes fer des pertes mécaniques. - Relever les caractéristiques électromécaniques de vitesse et de courant. - Relever la caractéristique mécanique. - Relever la caractéristique de rendement à l’aide de la méthode des pertes séparées. II. Préparation 1. Quelles sont les différences entre les moteurs asynchrones à cage et à rotor bobiné ? 2. Donner le principe du démarrage par insertion de résistances rotoriques d’un moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné. Citer les avantages et les inconvénients de ce procédé de démarrage. 3. Donner le principe du réglage de la vitesse d’un moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné par insertion de résistances rotoriques. Citer les avantages et les inconvénients de ce procédé de réglage ; dans quelles proportions peut-on faire varier la valeur de la vitesse ? 4. Quelle précaution doit être prise pour que la présence des contacts balais-bagues ne perturbent pas la mesure de la résistance des enroulements rotoriques. III. Identification de la machine étudiée III.1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Déterminer le nombre de paires de pôle, les valeurs nominales de la vitesse de synchronisme et du glissement. - A partir de ces indications et des tensions du réseau d’alimentation, déterminer le couplage des enroulements statoriques. - Identifier les différents enroulements sur la plaque à bornes. - Vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements. III.2. Mesure des résistances On utilisera la méthode voltampèremétrique, pour la mesure de la résistance apparente des enroulements statoriques et rotoriques de la machine, en se plaçant le plus près possible du courant nominal. - Proposer, pour chacun des enroulements, un schéma de montage et un mode opératoire. - Réaliser et faire vérifier les montages. - Faire les mesures et déduire les valeurs des résistances apparentes à chaud. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 72 IV. Essai à vide Il s’agit d’étudier le comportement du moteur à vide en mettant en évidence l’évolution du courant absorbé, du facteur de puissance, de déterminer la somme des pertes fer et des pertes mécaniques, puis d’évaluer ces pertes séparément. IV.1. Schéma de montage L’essai devra être effectué pour une tension d’alimentation variant entre 120% et environ 20% de la tension nominale du moteur et le démarrage du moteur sera effectué selon le procédé d’élimination des résistances rotoriques. La valeur minimale de la tension à appliquer est indiquée par l’observation du courant absorbé qui, sous une certaine valeur de la tension statorique augmente plutôt que de diminuer, à cause du ralentissement du moteur. Au dessous de cette valeur minimale, le moteur ralentit puis s’arrête et le courant a tendance à prendre une valeur de court-circuit, les résultats ne sont alors plus fiables. IV.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Court-circuiter l’ampèremètre et les circuits courant des wattmètres de façon à les protéger contre la pointe de courant au démarrage. - Ajuster le rhéostat de démarrage sur la position correspondant au maximum de résistance. - Régler la tension d’alimentation à la valeur nominale U0 = UN , puis démarrer le moteur. - Lorsque le moteur atteint environ sa vitesse nominale, supprimer graduellement la résistance du rhéostat de démarrage. - Vérifier que le moteur tourne à une vitesse pratiquement égale à la vitesse de synchronisme. - Pour la valeur U0 = UN de la tension nominale du moteur, relever l’intensité I0 du courant absorbé, la valeur de la tension nominale et les indications PA0 et PB0 des deux wattmètres. - Pour des valeurs de la tension comprises entre 120% et environ 20% de la tension nominale du moteur, relever l’intensité I0 du courant absorbé, la valeur de la tension U0 , et les indications PA0 et PB0 des deux wattmètres. - Arrêter le moteur en coupant la tension d’alimentation. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 73 - Compléter le tableau de mesure ci-dessous. Essai à vide : U0 I0 PA0 PB0 V A W W Pjs0 Pa0 Qa0 cosϕ0 pf +pm W W VAR / W f = 50 Hz Mesures Cr = 0 mN Calculs IV.3. Exploitation des résultats - Tracer les caractéristiques suivantes : (V0 étant la tension entre phase et neutre) I0 = f (V0 ) ; cosϕ0 = f (V0 ) ; Pa0 = f (V0 ) ; Qa0 = f (V0 ). - Positionner, sur ces caractéristiques, le point de fonctionnement pour la tension nominale V0 = VN et interpréter l’allure de chacune d’elles. - Tracer la caractéristique des pertes collectives (pertes fer et mécaniques) en fonction de la tension pf + pm = f (V0 ) et interpréter son allure. - Tracer la caractéristique des pertes en fonction du carré de la tension pf + pm = f (V02 ). - A l’aide d’un tableur (Excel ou autre), séparer les pertes collectives et déterminer les valeurs des pertes mécaniques et des pertes fer pour la tension nominale du moteur. - Conclure de l’influence de la tension d’alimentation sur les performances à vide du moteur. V. Essai en charge Il s’agit d’étudier, sous la tension d’alimentation nominale, le comportement en charge du moteur et de mettre en évidence l’évolution du courant absorbé, de la vitesse de rotation, du glissement, du couple moteur, du facteur de puissance et du rendement déterminé par la méthode des pertes séparées. Le moteur étudié entrainera en rotation une génératrice balance avec excitation en dérivation débitant dans un rhéostat d’absorption. Deux essais seront effectués, l’un avec résistances rotoriques et l’autre sans, pour la tension nominale d’alimentation. V.1. Mode opératoire - Réaliser le branchement de la génératrice balance et faire vérifier le montage. - Vérifier que la tension d’alimentation du moteur est ajustée à sa valeur minimale. - Régler la tension d’alimentation à la valeur nominale U = UN , que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Court-circuiter l’ampèremètre et les circuits courant des wattmètres. - Ajuster le rhéostat de démarrage sur la position correspondant au maximum de résistance. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 74 • Essai en charge avec résistances rotoriques - Démarrer le moteur, puis garder en service les résistances rotoriques. - Amorcer la génératrice, puis agir sur le rhéostat d’absorption pour faire varier la puissance utile du moteur, depuis le fonctionnement à vide jusqu’à environ 1,2.IN . Relever, pour six à huit points de fonctionnement, les valeurs des grandeurs N , I, Cu et les indications PA et PB des wattmètres. - Noter les valeurs NN , IN , CuN et les indications des deux wattmètres pour le régime nominal du moteur. • Essai en charge sans résistances rotoriques - Ramener le moteur à vide en déchargeant la génératrice balance et supprimer les résistances rotoriques. - Refaire les mêmes mesures pour la tension nominale d’alimentation que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Décharger le moteur, et couper la tension d’alimentation. - Compléter, pour chacun des essais, le tableau de mesure ci-dessous : Essai en charge : U = UN = · · · Volts ; · · · · · · résistances rotoriques Mesures N I Cu PA PB f = 50 Hz W A m.N W W Calculs Pa Qa cosϕ g Pjs P pertes Pu η W VAR / % W W W % V.2. Exploitation des résultats - Tracer les caractéristiques suivantes pour les deux essais, avec et sans résistances rotoriques, et la tension nominale U = UN : I = f (Pu ) ; n = f (Pu ) ; g = f (Pu ) ; Cu = f (Pu ) ; cosϕ = f (Pu ) ; η = f (Pu ). - Positionner, sur ces caractéristiques, le point de fonctionnement nominal et interpréter l’allure de chacune d’elles. - Tracer et interpréter l’allure des caractéristiques électromagnétiques de courant I = f (n) et des caractéristiques mécaniques Cu = f (n), avec et sans résistances rotoriques pour U = UN . - Conclure de l’influence de la présence des résistances rotoriques sur les performances du moteur en termes de réglage de vitesse. - Est-il possible de définir un domaine de linéarité sur les caractéristiques de courant et de couple ? Déterminer alors les équations des droites obtenues. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 75 THEME 6 MACHINES SYNCHRONES TRIPHASEES Rappel théorique TP 06-a : Génératrice synchrone triphasé - Essais directs TP 06-b : Génératrice synchrone triphasé - Essais indirects Complément théorique 6 MACHINES SYNCHRONES TRIPHASEES 1. Présentation La machine synchrone, appelée alternateur si elle fonctionne en génératrice, fournit du courant alternatif. En fonctionnement moteur sa fréquence de rotation est imposée par la fréquence du courant alternatif qui alimente l'induit. Pour les deux modes de fonctionnement, son rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique tournant produit par les enroulement statorique. La puissance des alternateurs à pôles saillants va de quelques kilovolts ampères à 250000 kVA. Ils sont principalement utilisés, dans les centrales hydrauliques, pour la production d'énergie électrique pour le réseau national. Les turboalternateurs sont utilisés dans les centrales thermiques ou nucléaires, leur puissance peut être supérieure à 50000 kVA. Principe de l'alternateur : Une génératrice synchrone transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique Son rotor, munit d’un bobinage alimenté en courant continu à p paires de pôles, est entrainé en rotation à la vitesse ns et crée un champ magnétique tournant. Son stator comporte généralement un bobinage triphasé, soumis à un flux variable il est siège de f.e.m (s) sinusoïdales triphasés induites à la fréquence f. 2. Constitution L'alternateur possède deux parties principales : - Le rotor, portant le plus souvent par l’enroulement inducteur alimenté en courant continu par l’intermédiaire de bagues et de balais, - Le stator, comportant un enroulement triphasé appelé induit et parcouru par des courants alternatifs. Le rotor Le champ magnétique est créé par un aimant permanent ou par un électroaimant alimenté par un courant continu Ie, appelé courant d'excitation. Le rotor tourne à la vitesse n, et crée un nombre p de paires de pôles (p = 1 : 2 pôles, p = 2 : 4 pôles, …). Le rotor et le stator possède le même nombre de paires de pôles. On distingue deux catégories de machines synchrones selon la configuration des pôles magnétiques : Rotor à pôles saillants : (Alternateur hydraulique) C'est un électroaimant dont les pôles sont alternativement nord et sud. Les enroulements sont alimentés en courant continu, ils sont placés autour des noyaux polaires. Le nombre de pôles est toujours pair, il varie suivant la machine. Rotor à pôles lisses : (Turbo-alternateur) Le rotor est un cylindre plein dans lequel on a usiné des encoches. Il possède les plus souvent deux pôles. Figure 1 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Figure 2 76 Le stator Il est identique à celui d’un moteur asynchrone triphasé, il porte dans ses encoches trois enroulements monophasés, décalés de 2π/3 l’un par rapport à l’autre. 2. Relation entre vitesse de rotation et fréquence des tensions Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la pulsation : s 2f p p OU Ns f p p Avec : s : vitesse de rotation du champ tournant en rad.s-1 ; : pulsation des courants alternatifs en rad.s-1; ns : vitesse de rotation du champs tournant en trs.s-1 ; f : fréquence des courants alternatifs en Hz ; p : nombre de paires de pôles. 3. Fonctionnement à vide Expression de la force électromotrice induite Un enroulement de l’induit soumis au champ magnétique tournant de l’entrefer est le siège d’une f.é.m. e(t) de valeur efficace E et de fréquence f, telle que : enfin : E KN f KN pns K ' N ns E KN f KN pns K 'ns où : E : f.é.m. induit (V) N : nombre de conducteurs par phase f : fréquence du courant statorique (Hz) K’ = KNp : constante globale (caractéristique du moteur) K : coefficient de Kapp : flux utile maximal sous un pôle (Wb) ns : vitesse de rotation (trs.s-1) p : nombre de paire de pôle La valeur du coefficient de Kapp est une constante pour un alternateur donné tel que : K 2, 22.Kd .K f avec Kd : facteur de distribution voisin de 0,7 et Kf : facteur de forme voisin de 1,05. Cette valeur efficace est celle de la f.e.m à vide aux bornes de l'alternateur monophasé ou bien celle aux bornes d'une phase et du neutre de l'alternateur triphasé. En pratique, la f.e.m n'est pas vraiment sinusoïdale et les différentes f.e.m (s) ne sont pas en phase, ainsi pour traduire ces imperfections, on introduit le coefficient de Kapp K qui caractérise la machine. Les enroulements sont disposés dans le stator de telle façon que la f.e.m e(t) soit le plus possible de forme sinusoïdale. En triphasé le stator comporte trois enroulements ou phases. On obtient trois f.é.m. e1(t), e2(t) et e3(t), de même valeur efficace E et déphasées de 2π/3. Caractéristique interne La caractéristique interne est traduite par la courbe Ev = f (Ie) à n = ns constante. . bobinage du stator . N roue polaire Ie S . Figure 3 _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 77 Le stator n'est traversé par aucun courant. Le champ tournant est issu de la roue polaire qui est parcourue par le courant d'excitation Ie et le rotor est entraîné par un système mécanique auxiliaire. On fait varier le courant d’excitation varie par valeurs croissantes puis décroissantes et on relève la valeur de la f.e.m Ev (tension à vide aux bornes d'une phase de l’induit), en maintenant la vitesse de rotation constante. La caractéristique Ev = f (Ie) C’est une courbe de magnétisation, aussi on y remarque le phénomène d’hystérésis ainsi qu’une zone de saturation. Figure 4 Cette caractéristique est couramment idéalisée en supposant que la machine n'est pas saturée. Alors, seule la partie linéaire de la caractéristique n’est retenue. La f.e.m est alors proportionnelle au courant d’excitation Ie : Ev K ' I e .ns k .I e Figure 5 Figure 6 En triphasé, trois enroulements monophasés identiques sont décalés d'un tiers de l'intervalle compris entre deux pôles consécutifs de même nom. L'alternateur est ainsi équivalent à trois alternateurs monophasés identiques que l'on couple soit en triangle soit en étoile. La force électromotrice entre deux enroulements dépend du mode de couplage, étoile ou triangle : la relation précédente donne donc la valeur efficace d'une tension simple si les enroulements sont couplés en étoile, et la valeur d'une tension composée s'ils sont couplés en triangle. 3. Fonctionnement en charge L'état de l'alternateur est fixé par le point de fonctionnement, qui dépend de deux paramètres variables et trois paramètres constants V, I, n, Ie, . V : Tension entre phase et neutre I : Courant dans un fil de phase n : Fréquence de rotation de l'alternateur Ie : Courant d'excitation : Déphasage entre v et i (imposé par la charge) en Volts en Ampères en tr/s en Ampères Caractéristique externe de tension L'alternateur triphasé est entraîné à vitesse constante, il alimente une charge équilibrée. L'intensité Ie du courant d'excitation est maintenue constante, le déphasage tension courant est imposé par la charge. On remarque l’effet démagnétisant d’une charge inductive et l’effet magnétisant d’une charge capacitive. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 78 Les chutes de tension sont importantes (20 à 30 fois plus grandes que pour le transformateur). La cause principale de ces chutes de tension est l'existence du champ magnétique Bi, crée par le stator. Lorsque l'induit débite du courant, il crée un champ magnétique, appelé réaction magnétique d'induit, qui vient modifier le champ issu de l'inducteur. L'inducteur, porté par le rotor, crée un flux, (t), à l'origine d'une f.e.m induite Ev au stator. Figure 7 Lorsque l'induit est fermé sur une charge, il est parcouru par des courants sinusoïdaux induits, i1, i2 et i3 qui vont à leurs tours créer un flux variable i (t) qui va diminuer considérablement (cas d'une charge R/L) le flux ch (t) résultant, en charge, donc agir sur la f.e.m Ech de la machine. Cette diminution de Ech par rapport à Ev implique une diminution importante de la tension V. - Le flux crée par l'inducteur, donne : Ev = - j. - La réaction magnétique d'induit introduit le flux i qui donne : Ei = - j.i - Le flux résultant ch s'exprime par la relation : ch i En charge, pour une machine non saturée, la f.e.m est donc donnée par : ch v i Modèle équivalent d'une phase Hypothèses simplificatrices : Charge équilibrée, Rotor à pôles lisses, Machine non saturée. Modélisation : Pour tenir compte de la réaction magnétique d'induit, on la modélise par une bobine d'inductance LS. On ajoute une résistance RS qui rendra compte des pertes par effet joule dans un enroulement. Le modèle équivalent d'une phase de l'alternateur ainsi défini est donné par la figure ci-contre : d’où : v ev Rsi Ls di dt Figure 8 V E v Rs jLs Soit : XS = LS.: réactance synchrone et : Z s Rs jX s l’impédance synchrone. Remarques La réactance synchrone XS est proportionnelle à la vitesse de rotation et en pratique XS >> RS. Diagramme de Behn-Eschenbourg Connaissant : XS = LS. I V Déphasage courant tension, angle imposé par la charge, Réactance synchrone, Intensité du courant dans la charge, Tension simple. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 79 On peut déterminer la valeur de la f.e.m à vide Ev : 1. Tracer V ; 3. Tracer XSI, 5. On peut mesurer , angle de décalage interne. 2. Connaissant , tracer I, puis RS I, colinéaire à I ; 4. En déduire Ev ; Figure 9 On peut utiliser le même procédé pour évaluer la valeur de la tension V, connaissant Ev. Pour cela : 1. Tracer une droite symbolisant la direction de I ; 2. Puis tracer RS I et XSI ; 3. Tracer la direction de V ; 4. Enfin à l'aide d'un compas rechercher le point d'intersection de V et Ev. Détermination des éléments du modèle La détermination du modèle de l'alternateur non saturé se fait en trois étapes. - Tracé de la caractéristique à vide : La f.e.m synchrone est égale à la f.e.m à vide, on relève donc à vitesse constante, la courbe Ev = f (Ie). - Relevé de la caractéristique de court-circuit : Les trois enroulements du stator sont couplés en étoile. Le modèle équivalent d'un enroulement de l'alternateur est le suivant : E v Rs jLs I cc Z s I cc L'alternateur est entraîné à la vitesse nominale, on mesure Figure 10 les intensités du courant d'excitation et d'un des courants de court-circuit débités dans l'induit, on trace la caractéristique de court-circuit : ICC = f (Ie). - Calcul de l'impédance synchrone : Pour un courant d'excitation donné, le module de l'impédance synchrone est donné par la relation : Zs Ev I cc à même Ie 3. Bilan des puissances et rendement Les différentes puissance mises en jeu lors du fonctionnement en charge de la génératrice shunt sont : - Puissance utile : en monophasé : Pu UI cos Figure 11 en triphasé : _______________________ A. Mechernene & M. Loucif Pu 3UI cos 80 - Puissance absorbée : Puissance mécanique Pm fournie par le moteur d'entraînement : Pm Cm s - Pertes collectives : Ce sont des pertes mécaniques (pméca), qui ne dépendent que de la fréquence de rotation et les pertes dans le fer (Pfer), qui ne dépendent que de la fréquence et de la valeur maximale du flux. PJe U e I e - Pertes joules dans l'inducteur : - Pertes joules dans l’induit : en monophasé : PJS RS I 2 en triphasé : PJS RaS : Résistance mesurée entre deux bornes de phase de la machine. 3 RaS I 2 2 Le rendement est calculé par la relation suivante : en triphasé : Pu Pu 3UI cos Pa Pu pertes 3UI cos u PJe PJS pm en monophasé : Pu Pu UI cos Pa Pu pertes UI cos u PJe PJS pm Les pertes collectives seront mesurées au cours d'un essai à vide dans lequel la machine tourne à la fréquence de rotation nominale, sous une tension égale à la tension qu'elle aurait en charge. En effet, l'égalité des tensions efficaces entraîne celle des flux. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 81 TP 06-a GENERATRICE SYNCHRONE TRIPHASEE ESSAIS DIRECTS I. Objectifs - Etudier le fonctionnement d’une génératrice synchrone triphasé (alternateur triphasé). - Relever ses caractéristiques internes à vitesse constante, de tension et de fréquence à flux constant. - Relever ses caractéristiques externes de tension pour différentes charges à l’aide d’essais directs. - Déterminer ses caractéristiques de réglage pour différentes charges. II. Préparation 1. Citer brièvement les différents procédés mis en œuvre pour produire le courant continu servant à générer le champ magnétique inducteur dans une machine synchrone. 2. Expliquer comment maintenir constante la tension délivrée aux bornes d’un alternateur en fonctionnement isolé du réseau, lorsque sa charge est modifiée ou lorsque sa vitesse varie. 3. Expliquer les différences dans l’utilisation d’une génératrice synchrone lorsqu’elle est utilisée en alternateur autonome (isolé du réseau) ou lorsqu’elle débite sur un réseau. Dans les deux cas, donner les grandeurs à régler et les grandeurs de réglage. 4. Pourquoi la caractéristique interne, Ev =f (iex ) à N = constante, d’un alternateur n’est-elle pas une droite pour les fortes valeurs du courant d’excitation ? 5. Dans le cas ou l’on ne dispose pas d’une machine synchrone, donner une méthode permettant de faire fonctionner une machine asynchrone triphasée à rotor bobiné en alternateur. Quelles précautions doivent être alors prises ? III. Identification de la machine étudiée 1. Plaque signalétique - Relever les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Identifier ses différents enroulements sur la plaque à bornes. - Vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements induit et inducteur. 2. Mesure des résistances On utilisera la méthode voltampèremétrique avec une alimentation en courant continu. Enroulement statorique (induit) : On mesurera la résistance apparente, celle-ci étant de valeur faible, on optera pour le montage aval, en effectuant trois mesures autour du courant nominal. Enroulement rotorique (inducteur) : Cette résistance étant de valeur moyenne, on optera donc pour le montage amont, en effectuant les mesures autour du courant nominal. - Proposer les schémas de montage pour la mesure des résistances. - Mesurer la valeur des résistances des enroulements induit et inducteur. - Déterminer la valeur des résistances des enroulements à chaud. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 82 IV. Essai à vide à vitesse constante Il s’agit d’étudier l’influence du flux magnétique, créé par le seul courant d’excitation parcourant l’enroulement inducteur du rotor, sur la f.e.m obtenue aux bornes de l’enroulement induit du stator. Pour cela, on trace la caractéristique interne de la machine fonctionnant à vide avec sa vitesse de rotation maintenue à sa valeur nominale. Ev = f (iex ) à N = NN = constante donc à f = fN = constante et I =0A IV.1. Schéma de montage La machine étudiée sera entraı̂née en rotation par un moteur à excitation en dérivation, alimenté sous sa tension nominale et avec excitation réglable par un rhéostat de champ, afin de régler la vitesse du groupe [moteur shunt + génératrice synchrone]. IV.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Ouvrir le circuit d’excitation et régler la résistance Rhex du rhéostat de champ sur sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entrainement, puis ajuster la vitesse de rotation à sa valeur nominale NN , que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. Noter la valeur de la f.e.m rémanente. - Fermer le circuit d’excitation et en agissant sur le rhéostat de champ, faire varier le courant d’excitation pour des valeurs croissantes, depuis 0 jusqu’à 1,25 fois sa valeur nominale, sans jamais revenir en arrière, relever les intensités iex et les valeurs correspondantes de la f.e.m Ev . - De manière identique, faire décroı̂tre le courant d’excitation depuis 1,25 fois sa valeur nominale jusqu’à 0, sans jamais revenir en arrière, relever les intensités iex et de la f.e.m Ev correspondantes. Noter la nouvelle valeur de la f.e.m rémanente. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 83 - Compléter le tableau de mesure ci-dessous. Essai à vide à vitesse constante : N = NN = · · · tr/mn Ev V iex A Ev V Caractéristique interne moyenne : Evmoy V iex A f = fN = · · · Hz I = 0 A iex croissant / iex décroissant / / IV.3. Exploitation des résultats - Tracer, sur un même repère, les caractéristiques internes Ev = f (iex ) pour les intensités croissantes et décroissantes du courant d’excitation. - Interpréter l’allure obtenue en mettant en évidence les phénomènes d’hystérésis et de rémanence magnétiques. - Tracer la caractéristique interne moyenne et positionner le point de fonctionnement nominal. - Montrer, sur cette caractéristique, les domaines de linéarité et de saturation. - Déduire la valeur du coefficient de proportionnalité en (V/A) dans la zone de linéarité. V. Essai à vide à flux constant Il s’agit d’étudier l’influence de la vitesse de rotation sur la f.e.m et la fréquence mesurées aux bornes de l’enroulement induit du stator. Pour cela, on trace ses caractéristiques de tension et de fréquence à flux constant, donc avec l’intensité du courant d’excitation maintenue à sa valeur nominale, la machine fonctionnant à vide. Ev = f (N ) et f = f (N ) à φ = constant et donc à iex = iexN = constante I =0A V.1. Mode opératoire - Régler la vitesse de rotation pour obtenir 1, 20.NN . - Régler le courant d’excitation de la génératrice synchrone à sa valeur nominale, que l’on maintiendra constante pendant tout l’essai. - Relever les valeurs de la vitesse N , de la f.e.m Ev et de sa fréquence f . - Diminuer la vitesse de rotation jusqu’à obtenir N = NN , relever les valeurs nominales de la vitesse et de la f.e.m et de la fréquence. - Faire varier la vitesse de rotation de NN jusqu’à l’arrêt (N = 0), noter les valeurs correspondantes de la vitesse, de la f.e.m et de la fréquence. - Avant d’arrêter le groupe [moteur shunt + génératrice synchrone], ramener le courant iex de la génératrice à son minimum avant la coupure de l’excitation. - Couper la tension d’alimentation du moteur d’entraı̂nement. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 84 - Compléter le tableau de mesure ci-dessous : Essai à vide à flux constant : N tr/mn Ev V f Hz iex = iexN = .......... A I =0A V.2. Exploitation des résultats - Tracer les caractéristiques à vide, Ev = f (N ) et f = f (N ) à iex = iexN et positionner le point de fonctionnement nominal à vide. Interpréter l’allure des caractéristiques obtenues. - Montrer, sur ces caractéristiques, les domaines de linéarité et de non linéarité ; déterminer les valeurs des coefficients de proportionnalité dans la zone de linéarité, en (V/tr.mn−1 ) et en (Hz/tr.mn−1 ). - Déduire le nombre de paire de pôle de la machine étudiée. VI. Essai en charge Il s’agit d’étudier l’influence du courant débité par la génératrice synchrone, sur la tension délivrée aux bornes de l’enroulement d’induit pour différents types de charge (résistive, inductive ou capacitive). Pour cela, on trace la caractéristique externe de la machine fonctionnant en charge, avec sa vitesse de rotation et son courant d’excitation maintenus à leurs valeurs nominales. U = f (I) à N = NN = constante (f = fN ) et iex = constante VI.1. Schéma de montage Pour ce travail, deux essais seront effectués, le premier pour une charge purement résistive et le second pour une charge inductive. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 85 VI.2. Mode opératoire • Essai en charge avec charge résistive (cosϕ = 1) - Brancher la charge variable résistive et faire vérifier le montage. - Ouvrir le circuit d’excitation et régler la résistance Rhex du rhéostat de champ sur sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entrainement, puis ajuster la vitesse de rotation à sa valeur nominale NN , que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Charger la machine synchrone à l’aide de la charge variable, puis chercher à obtenir son régime nominal [UN ;IN ;NN ;fN ] en ajustant successivement la charge, le courant d’excitation et la vitesse de rotation. - Relever les coordonnées du point de fonctionnement nominal et l’intensité du courant d’excitation correspondante que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Agir sur la charge variable afin de faire varier l’intensité du courant I débité depuis 1,20.IN jusqu’à I=0 ; relever l’intensité I du courant débité et la valeur U de la tension aux bornes de la charge. Noter la valeur de la tension à vide. • Essai en charge avec charge inductive (cosϕ = 0, 80 / AR) - Décharger la génératrice synchrone, ramener le courant d’excitation à sa valeur minimale, puis ouvrir son circuit. - Remplacer la charge résistive par la charge inductive et refaire les mêmes mesures en conservant le même courant d’excitation que pour la charge résistive. - NB : Avant chaque mesure vérifier la valeur du facteur de puissance (cosϕ), que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Avant d’arrêter le groupe [moteur shunt + génératrice synchrone], ramener le courant iex de la génératrice à son minimum. - Couper la tension d’alimentation du moteur d’entraı̂nement. - Compléter, pour chacun des essais, le tableau de mesure ci-dessous : Essai en charge : I U PA PB N = NN = · · · tr/mn Mesures cosϕ = · · · iex = · · · A A V W W Calculs PB /PA cosϕ ∆U δU avec : / / V % ∆U = Ev − U _______________________ A. Mechernene & M. Loucif et δU = 100. ∆U U 86 VI.3. Exploitation des résultats - Tracer, sur un même repère, les caractéristiques externes de tension U = f (I) et de chute de tension ∆U = f (I) avec N = NN et iex = constante pour les deux types de charge. - Positionner le point de fonctionnement nominal en charge et interpréter l’allure des caractéristiques obtenues. - Donner, pour le régime nominal, les valeurs UN de la tension statorique, de la chute de tension ∆UN et calculer la chute relative de tension δUN . - Comparer les valeurs nominales mesurées et celles indiquées sur la plaque signalétique. - Dans le but de prédéterminer les caractéristiques de réglage iex = f (I) pour U = UN , N = NN et cosϕ = constante, compléter le tableau ci-dessous : Courbe de réglage : I A ∆U V Ev V iex A U = UN = · · · V N = NN = · · · tr/mn - Tracer, sur un même repère, les caractéristiques de réglage, pour les deux types de charge. - Positionner le point de fonctionnement nominal et interpréter l’allure des caractéristiques obtenues. - Quel est l’intérêt de la caractéristique de réglage d’un alternateur ? _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 87 TP 06-b GENERATRICE SYNCHRONE TRIPHASEE ESSAIS INDIRECTS I. Objectifs - Déterminer les différents paramètres du schéma équivalent à une réactance (Modèle de BehnEschenburg) d’une machine synchrone triphasé à l’aide d’essais indirects. - Prédéterminer les caractéristiques externes de tension pour le fonctionnement en alternateur. - Comparer les caractéristiques externes obtenues par les essais directs et indirects. - Etablir une validation critique du modèle de Behn-Eschenburg. II. Préparation 1. Quel est l’intérêt d’effectuer les essais indirects d’une génératrice synchrone ? 2. Pour quel type de machine, et sous quelle hypophyse, peut-on utiliser le modèle de BehnEschenburg à une réactance constante ? Quelle est la conséquence de cette hypothèse ? 3. Pour l’essai en court-circuit, préciser les conditions de l’essai et les précautions à respecter. III. Identification de la machine étudiée La machine étudiée devra être la même que celle expérimentée lors du TP 06-a concernant les essais directs de la génératrice synchrone. III.1. Plaque signalétique - Rappeler les valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique de la machine étudiée. - Identifier les différents enroulements sur la plaque à bornes et vérifier, avec un ohmmètre, la continuité des enroulements primaire et secondaire. III.2. Mesure des résistances - Rappeler les valeurs des résistances, à froid et à chaud, des enroulements induit et inducteur. IV. Essai à vide à vitesse constante - A l’aide des valeurs des mesures obtenues lors du TP 06-a, compléter le tableau ci-dessous. Caractéristique interne : Ev = Evmoy V √ Es = Ev / 3 V iex A N = NN = · · · tr/mn f = fN = · · · Hz I =0A Ev : valeur de la f.e.m, délivrée par l’enroulement induit, mesurée entre deux phases (f.e.m composée). Es : valeur de la f.e.m mesurée entre phase et neutre (f.e.m simple). _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 88 V. Essai en court-circuit Il s’agit d’étudier l’influence du courant d’excitation, circulant dans le circuit inducteur, sur le courant d’induit délivré par la génératrice synchrone en régime de court-circuit. Pour cela, on trace la caractéristique de court-circuit de la machine entraı̂née à sa vitesse nominale. Icc = f (iex ) avec N = NN = constante et U = 0 Volt V.1. Schéma de montage La machine étudiée sera entraı̂née en rotation par un moteur à excitation en dérivation, alimenté sous sa tension nominale et avec excitation réglable par un rhéostat de champ, afin de régler la vitesse du groupe [moteur shunt + génératrice synchrone]. V.2. Mode opératoire - Réaliser et faire vérifier le montage. - Ouvrir le circuit d’excitation et régler la résistance Rhex du rhéostat de champ sur sa valeur maximale. - Démarrer le moteur d’entraı̂nement, puis ajuster la vitesse de rotation à sa valeur nominale NN , que l’on devra maintenir constante pendant tout l’essai. - Fermer le circuit d’excitation, puis en agissant sur le rhéostat de champ faire varier le courant d’excitation pour des intensités du courant d’induit comprises entre 0 et 1,25 fois sa valeur nominale. Relever les intensités iex et Icc des courants d’excitation et d’induit. - Avant d’arrêter le groupe [moteur shunt + génératrice synchrone], ramener le courant iex de la génératrice à son minimum avant la coupure de l’excitation. - Couper la tension d’alimentation du moteur d’entraı̂nement. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 89 - Compléter le tableau de mesure ci-dessous. Essai en court-circuit : iex A Icc A N = NN = · · · tr/mn f = fN = · · · Hz U =0V VI. Exploitation des résultats VI.1. Détermination des paramètres du schéma équivalent - Tracer, sur un même repère, la caractéristique interne Es = f (iex ) et la caractéristique de courtcircuit Icc = f (iex ) pour N = NN . (Es : f.e.m délivrée aux bornes d’un enroulement statorique) - Interpréter l’allure de la caractéristique de court-circuit ; en déduire son équation. - Pour des intensités du courant d’excitation comprises entre 0 et 1, 20.IN , déterminer la valeur Zs de l’impédance équivalente du schéma équivalent, puis celle de la réactance synchrone Xs . - L’hypothèse Xs >> Rs est-elle toujours vérifiée ? Est-ce que la valeur Xs de la réactance synchrone varie ? Commenter. - Compléter le tableau ci-dessous. iex Es Icc Zs Xs N = NN = · · · tr/mn A V A Ω Ω f = fN = · · · Hz Rs = · · · Ω - Pour les courants d’excitation correspondants à la zone linéaire de la caractéristique interne, donner le schéma du modèle équivalent de Behn-Eschenburg pour une phase de l’alternateur en y indiquant les valeurs numériques. VI.2. Prédétermination des caractéristiques de tension Il s’agit de prédéterminer les caractéristiques externes de tension U = f (I) à l’aide du modèle du schéma équivalent monophasé de Behn-Eschenburg, avec la vitesse et le courant d’excitation maintenus constants, pour deux charges différentes (cosϕ = 1, puis cosϕ = 0,8 AR). - Tracer, pour chacune des charges un diagramme vectoriel, pour sept valeurs du courant débité par le générateur comprises entre 0 et 1, 20.IN , avec N = NN et iex = iexN maintenues constantes. - En déduire, les valeurs de la tension U aux bornes de la machine pour chacune des charges. - Tracer, sur un même repère, les caractéristiques externes de tension U = f (I) pour chacune des charges. - Pour le régime nominal, comparer les résultats obtenus avec les indications données par la plaque signalétique. Conclure sur la validité du modèle à une réactance de Behn-Eschenburg. _______________________ A. Mechernene & M. Loucif 90 ANNEXES ANNEXES Tracer une courbe expérimentale avec le tableur Excel 1. Lancer le logiciel (par exemple avec un double clic gauche sur l’icône du bureau). 2. Entrer les données au clavier Pour les puissances de dix, on utilise E. Par exemple : 2,5*10-4 2,5E-4). La colonne A contient les données à placer en abscisse. La colonne B contient les données à placer en ordonnée. 3. Cliquer sur insertion puis graphique 4. Choisir Nuage de points puis cliquer sur Suivant. Cliquer à nouveau sur Suivant après avoir vérifié que la case colonnes est cochée. Dans l'onglet Titres indiquer le titre du graphe puis les grandeurs des deux axes et leurs unités. Cliquer sur Fin 5. Pour ajouter une courbe de tendance, sélectionner le graphique, cliquer sur Graphique puis sur Ajouter une courbe de tendance. Choisir le Type puis, dans l'onglet Options, cocher : - Coupe l’axe horizontal (X) à 0 - Afficher l'équation sur le graphique - Afficher le coefficient de détermination 6. On peut modifier les graduations des axes, la couleur du fond, des axes … en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la partie à modifier. Remarque : Plus le coefficient de détermination est proche de 1, plus la courbe que l’on a tracée s’approche de la courbe de tendance. 3. Les grandeurs électriques et leurs unités Les principales grandeurs électriques qu’un électrotechnicien est amené à mesurer sont : - la tension ou différence de potentiel entre deux points, - l'intensité d'un courant dans une branche, - la résistance ou l’impédance d'un récepteur, - la capacité d'un condensateur, - la puissance dissipée dans un circuit, - la fréquence et la période d'un signal Les grandeurs et unités de base dans le système international (SI) sont données par les tableaux suivants : Grandeur Tension Intensité Puissance Energie Résistance Impédance Réactance Capacité Inductance Tableau 1 : Grandeurs et unités usuelles en Electrotechnique Symbole Unité Symbole Appareil de mesure U Volt V Voltmètre I Ampère A Ampèremètre P Watt W Wattmètre W, E kWh kWh Compteur d’énergie R Ohm Ω Ohmmètre Z Ohm Ω Ponts d’impédances X Ohm Ω Ponts d’impédances C Farad F Capacimètre L Henry H Déphasage Période Fréquence Vitesse de rotation Pulsation Induction magnétique Flux magnétique Température Pression Chaleur Eclairement Intensité lumineuse Préfixe Téra Giga méga Kilo Hecto déca T f N B T, P Q E I radian, degré seconde Hertz tour par seconde radian / seconde rad (°) s Hz -1 s (tr/s) rad/s Tesla Weber T Wb Teslamètre Fluxmètre degrés Celsius °C Thermomètre Pascal Calorie Lux Candela Pa (ou bar) Cal Lux Cd Baromètre Calorimètre Luxmètre Candelamètre Périodemètre Fréquencemètre Tachymètre Tableau 2 : Multiples et sous multiples des unités Symbole Multiplicateur Préfixe Symbole 12 T 10 déci d 9 G 10 centi c 6 M 10 milli m 3 K 10 micro 2 h 10 nano n 1 da 10 pico p Multiplicateur 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 View publication stats