République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Centre Universitaire Nour El Bachir El Bayadh Institut des Sciences Département de Technologie Travaux Pratiques Electrotechnique Fondamentale 1 Par : Dr. HIMOUR Kamal Année universitaire : 2017/2018 Avant-propos Ces travaux pratiques sont réalisés au laboratoire d’électrotechnique au sein du département de Technologie du centre universitaire d’El Bayadh. Ils s’adressent aux étudiants en deuxième année licence électrotechnique. Ils ont pour but : D’initier les étudiants aux bases de l’électrotechnique, De les familiariser avec les appareils couramment utilisés dans ce domaine. La durée d’un TP est de 3 heures à la suite desquelles, les étudiants doivent remettre leurs comptes rendus. Déroulement des travaux pratiques I. Consignes La présence en TP est obligatoire, Les TP sont préparés et réalisés par une équipe de 2 ou 3 étudiants, Chaque étudiant choisira l’équipe dans laquelle il veut s’inscrire. S’il y a litige, c’est l’enseignant qui tranchera, Les équipes sont formées à la première séance, Pendant la séance de TP, au moins un étudiant de chaque équipe sera interrogé sur le travail qu’il réalise (branchement des appareils, visualisation des tensions, réalisation du circuit…). Une note lui sera attribuée, A la fin de chaque séance de TP, chaque équipe remettra un compte rendu à l’enseignant, L’étudiant est également évalué sur ses attitudes, il doit : être ponctuel et discipliné, respecter les consignes et les échéances, respecter les normes de sécurité, travailler proprement et avec soin, II- Rédaction du compte rendu Le compte rendu doit être lisible, vous devez vous appliquer dans l’écriture, dans le style (syntaxe et orthographe, technique et scientifique), dans le graphisme, La présentation du compte rendu Le compte rendu doit comporter : Le but : c’est la synthèse du travail à effectuer, La préparation : réponse aux questions posées, calculs théoriques… Matériels utilisés, Le montage, La manipulation : déroulement, précautions à prendre… Les tableaux de mesures, Construction de courbes, Conclusion. Table des matières TP01 : I. Rappel théorique ........................................................................................................................ 7 I.1. Définitions et caractéristiques ............................................................................................... 7 I.2. Mesure d’un courant alternatif sinusoïdal ............................................................................. 9 I.3. Mesure d’une tension alternative sinusoïdale .......................................................................11 II. Partie pratique .........................................................................................................................13 II.1. Objectifs ...........................................................................................................................13 II.2. Matériels Utilisés ..............................................................................................................13 II.3. Manipulation.....................................................................................................................14 TP02 : I. Rappel théorique .......................................................................................................................16 I.1. Définitions et caractéristiques ..............................................................................................16 I.2. Réseaux triphasés ...............................................................................................................17 I.2.1. Tensions simples ..........................................................................................................17 I.2.2. Tensions composées .....................................................................................................17 I.3. Représentation de Fresnel des tensions .................................................................................17 I.4. Récepteurs triphasés ...........................................................................................................18 I.4.1. Couplage ETOILE........................................................................................................19 I.4.2. Couplage TRIANGLE ..................................................................................................20 I.4.3. Choix du couplage........................................................................................................21 I.5. Système triphasé équilibré ...................................................................................................21 I.6. Système triphasé déséquilibré ..............................................................................................23 II. Partie Pratique ........................................................................................................................23 II.1. Objectifs ...........................................................................................................................23 II.2. Matériels Utilisés ..............................................................................................................23 II.3. Manipulation.....................................................................................................................24 TP03 : I. Rappel théorique .......................................................................................................................26 I. 1. Définition..........................................................................................................................26 I.2. Mesure de puissances en monophasé....................................................................................27 I.3. Puissances en régime triphasé..............................................................................................28 I.3.1. Méthode de trois wattmètres.........................................................................................28 I.3.2Méthode d’un seul wattmètre ..........................................................................................28 I.3.3.Méthode des deux wattmètres ........................................................................................29 II. Partie Pratique .........................................................................................................................30 II.1. Précautions et recommandations .........................................................................................30 II.2. Objectifs ...........................................................................................................................30 II.3. Matériels Utilisés ..............................................................................................................30 II.4. Manipulation.....................................................................................................................31 TP04 : I. Rappel théorique .......................................................................................................................33 I.1.Définitions ..........................................................................................................................33 I.2. Symboles ...........................................................................................................................33 I.3. Transformateur monophasé .................................................................................................33 I.4. Le transformateur triphasé...................................................................................................34 I.5. Indice horaire .....................................................................................................................36 I.6. Couplage des Enroulements ................................................................................................36 II. Partie pratique...................................................................................................................37 II.1. But du travail ....................................................................................................................37 II.2. Liste du matériel ...............................................................................................................37 II.3.Manipulation.....................................................................................................................38 II.3.1.Essai à vide .................................................................................................................38 II.3.2. Essai en charge ..........................................................................................................39 Liste des TP TP01 : Mesure des tensions et courants en monophasé TP02 : Mesure des tensions et courants en triphasé TP03 : Mesure des puissances en triphasé TP04 : Essais sur le transformateur triphasé Année universitaire 2017/2018 6 TP 01 : Mesure des tensions et courants en monophasé I. Rappel théorique I.1. Définitions et caractéristiques Un circuit monophasé est un circuit alimenté par une tension alternative sinusoïdale v(t) et parcouru par un courant alternatif sinusoïdal i(t). Les valeurs de v(t) et de i(t) changent avec le temps. Le circuit est constitué d’une phase notée Ph ou L référencée par rapport à une masse ou un neutre N. Fig.1. Circuit monophasé. Un courant alternatif sinusoïdal est un courant bidirectionnel, périodique et symétrique. Il en est de même pour une tension alternative sinusoïdale. Sa représentation graphique est sinusoïdale. Elle varie en fonction du temps. Sur la courbe cidessous : Fig. 2. Représentation graphique . On constate que de t = 0 à t1 l’intensité est positive, de t1 à t2 l’intensité est négative, de t2 à t3 l’intensité est positive, etc... Le courant s’annule et change de sens à t = t1, t2, t3, Année universitaire 2017/2018 7 t4, t5, etc… Le courant est donc bien bidirectionnel. De plus, le phénomène se reproduit à intervalles réguliers dans le temps: on dit qu’il est périodique. Enfin, la forme du courant positif est identique à la forme du courant négatif: Il est aussi symétrique. On appelle période l’intervalle de temps noté T en secondes qui sépare deux instants consécutifs où le phénomène se reproduit identique à lui-même. Par exemple entre les instants t1 et t3 ou bien entre t2 et t4 ou entre deux maximum consécutifs. L’alternance est la durée d’une demi période: par exemple: l’alternance positive ou négative Plus la période est courte plus le phénomène se reproduit souvent. On définit la fréquence notée f d’une grandeur périodique le nombre de périodes par seconde. La fréquence f est en hertz. f=1/T (1) f : fréquence en hertz (Hz) T : période en seconde (s) Le courant passe par une valeur maximale lorsqu’il est positif et lorsqu’il est négatif. La valeur maximale du courant ou valeur crête est notée Î ou parfois tout simplement I max. Le courant est symétrique par rapport à zéro: il est aussi souvent positif que négatif. La valeur moyenne du courant est égale à 0. Elle est notée Ī ou parfois simplement I moy. La valeur du courant à un instant donné s’appelle la valeur instantanée et se note i en ampères telle que : ̂ (2) Le terme sin(ω.t + ϕ ) est la fonction mathématique sinus où (ω.t + ϕ ) est un angle en radians, qui désigne la phase du courant à l’instant t, ω la pulsation en radians par seconde, t le temps en secondes et ϕ la phase initiale du courant à l’instant t = 0 (3) Un courant alternatif sinusoïdal est donc caractérisé par son amplitude et surtout par sa fréquence. L’amplitude est définie par la valeur crête maximale Î ou parfois par la valeur crête à crête soit 2Î. Il en est de même pour une tension alternative sinusoïdale monophasée. La fréquence f définit par le nombre de périodes T par unité de temps c’est à dire le nombre de fois où le signal se reproduit identiquement par seconde. Par exemple le courant fourni par Sonelgaz a une fréquence constante de 50 hertz soit 50 périodes par seconde. Il a donc 100 alternances positives Année universitaire 2017/2018 8 ou négatives. La pulsation est de 314 rad/s. Aux Etats-Unis la fréquence est de 60 Hz. Dans les avions elle est de 400 Hz. I.2. Mesure d’un courant alternatif sinusoïdal On mesure l’intensité du courant électrique avec un ampèremètre analogique ou numérique branché en série dans le circuit ou bien une pince ampèremétrique qui donne la mesure de l’intensité dans le conducteur encerclé par la pince. Fig.3. Pince ampèremétrique. Symbole de l’ampèremètre : Fig.4. symbole de l’amèremètre. Avec un ampèremètre numérique sur la position DC pour Direct Current ou bien avec un ampèremètre analogique de type magnétoélectrique, on mesure la valeur moyenne du courant notée Imoy ou Avec un ampèremètre numérique sur la position AC Alternative Current ou bien avec un ampèremètre analogique de type ferromagnétique, on mesure la valeur efficace du courant notée Ieff ou I. Avec un oscilloscope, relié à une sonde de courant, on peut observer la forme du courant dans un circuit. Fig.5. Oscilloscope. Année universitaire 2017/2018 9 Symbole de l’oscilloscope : Fig.6. Sybole de l’odcilloscope. L’oscilloscope permet de visualiser la forme d’onde et, de mesurer la valeur maximale du courant notée Imax ou Î ainsi que les valeurs instantanées du courant notée i et de la période notée T. La valeur moyenne d’un courant variable est la valeur que doit avoir un courant continu pour transporter pendant le même temps la même quantité d’électricité q = I t , I valeur moyenne. Le produit I.t est la surface moyenne. Fig.7. Courant alternatif sinusoidal. Dans le cas d’un courant alternatif sinusoïdal, on a Imoy=0 car la quantité d’électricité transportée par l’alternance positive q+ est égale et opposée à celle transportée par l’alternance négative q-. La valeur efficace d’un courant est la valeur que doit avoir un courant continu pour produire pendant le même temps le même effet thermique sur un résistor. L’énergie dissipée par effet Joule est : (4) Elle est proportionnelle à I². En violet on trace la courbe i². La valeur moyenne de l’énergie est proportionnelle à β /2. Année universitaire 2017/2018 10 Fig.8. Valeur moyenne, valeur efficace. Le courant alternatif sinusoïdal qui produit cet effet est : √ ̂ √ (5) √ (6) Dans le cas d’un courant variable quelconque cette relation n’est plus respectée ; On peut toutefois mesurer sa valeur efficace en utilisant un appareil qui donne des valeurs efficaces vraies ; Ces appareils sont notés TRMS : True Root Mean Square ( la racine carrée vraie). I.3. Mesure d’une tension alternative sinusoïdale On mesure la tension électrique entre deux points d’un circuit avec un voltmètre numérique ou analogique ou bien avec un multimètre utilisable en voltmètre et branché aux bornes des deux points. On dit aussi branché en parallèle ou en dérivation. Fig. 9. Voltmètre numérique. Symbole du voltmètre : Fig. 10. Symbole du voltmètre. Année universitaire 2017/2018 11 Avec un voltmètre numérique sur la position DC pour Direct Current ou bien avec un voltmètre analogique de type magnétoélectrique on mesure la valeur moyenne de la tension notée Vmoy. Avec un voltmètre numérique sur la position AC Alternative Current ou bien avec un voltmètre analogique de type ferromagnétique on mesure la valeur efficace de la tension notée Veff ou V. Avec un oscilloscope, branché aux bornes des deux points à l’aide d’une sonde de tension, on peut observer la forme de la tension. Fig.11. Oscilloscope. L’oscilloscope permet de visualiser la forme d’onde et, de mesurer la valeur maximale de la tension notée Vmax ainsi que les valeurs instantanées de la tension notée v et de la période notée T. La tension étant proportionnelle au courant, La valeur moyenne d’une tension alternative sinusoïdale est nulle :Vmoy=0 La valeur efficace d’une tension alternative sinusoïdale est telle que : ̂ √ √ (5) Dans le cas d’un courant variable quelconque cette relation n’est plus respectée ; On peut toutefois mesurer sa valeur efficace en utilisant un appareil qui donne des valeurs efficaces vraies ; Ces appareils sont notés TRMS : True Root Mean Square ( la racine carrée vraie). Année universitaire 2017/2018 12 Exemple de mesure à l’oscilloscope: • Calibre temps : 2ms par division • Calibre tension : 5 V par division • Calibre sonde : 1/20 Détermination de la tension : Vmax : on lit 3,2 div soit 3,2 x 5 = 16 V La sonde divise par 20 donc Vmax = 320 V Or Veff = Vmax / sqrt(2)¸ donc Veff = 226 V Détermination de la période : T : on lit 10 divisions soit 10 x 2 donc T = 20 ms D’où la fréquence f = 1/T , f = 50 Hz Fig.12. Mesure à l’oscilloscope II. Partie pratique II.1. Objectifs Apprendre à mesurer les courants et les tensions en monophasé, Apprendre à utiliser le Cassy Lab afin de mesurer et visualiser les tensions et les courants dans une installation électrique, Apprendre à utiliser le Multimètre à affichage numérique, Apprendre à utiliser l’oscilloscope. II.2. Matériels Utilisés 1. Transformateur 45/90 3N (726 80) 2. Charge de puissance (R, L, C) (735 09) 3. Multimètre numérique 4. Capteur Sensor-Cassy 2 (524 013) 5. Oscilloscope 6. Fils de connexion 7. Ordinateur Année universitaire 2017/2018 13 II.3. Manipulation II.3.1. Réaliser le schéma électrique de la figure 12. A B R1= 100 Ohm C R2 =100 Ohm Vs= 90 V Fig.12. A. En utilisant le multimètre : Mesurer le courant qui traverse les résistances R1 et R2. Mesurer la tension aux bornes la résistance R1 (entre les points A et B) Mesurer la tension aux bornes la résistance R2 (entre les points B et C) Mesurer la tension aux bornes les deux résistances R1 et R2 (entre les points A et C) Qu’est-ce que vous remarquez ? B. En utilisant le Cassy Lab Visualiser les tensions aux bornes les résistances R1 et R2 (Sauvegarder les figures obtenues sous Fig. 1.1 et Fig .1.2) Visualiser la tension aux bornes les deux résistances (Sauvegarder les figures obtenues sous Fig. 1.3) Visualiser le courant qui circule dans les résistances R1 et R2 (Sauvegarder la figure obtenue sous Fig. 1.4) Interpréter les allures obtenues C. En utilisant l’oscilloscope Visualiser les tensions aux bornes les résistances R1 et R2 Visualiser la tension aux bornes les deux résistances Visualiser le courant qui circule dans les résistances R1 et R2 Interpréter les allures obtenues Année universitaire 2017/2018 14 II.3.2. Réaliser le schéma électrique de la figure 13. A B R= 200 Ohm L = 50 m H Vs = 90 V C Fig.13. A. En utilisant le multimètre : Mesurer le courant qui traverse les résistances R. Mesurer la tension aux bornes la résistance R (entre les points A et B) Mesurer la tension aux bornes l’inductance L (entre les points B et C) Mesurer la tension aux bornes la résistance et l’inductance (entre les points A et C) Qu’est-ce que vous remarquez ? B. En utilisant le Cassy Lab Visualiser les tensions aux bornes la résistance R et l’inductance L (Sauvegarder les figures obtenues sous Fig. 2.1 et Fig. 2.2) Visualiser la tension aux bornes la résistance et l’inductance (Sauvegarder la figure obtenue sous Fig. 2.3) Visualiser le courant qui circule dans le circuit (Sauvegarder la figure obtenue sous Fig. 2.4) Visualiser la tension et le courant de l’inductance (Sauvegarder la figure obtenue sous Fig. 2.5) Interpréter les allures obtenues C. En utilisant l’oscilloscope Visualiser les tensions aux bornes la résistance R et l’inductance L Visualiser la tension aux bornes la résistance et l’inductance Visualiser le courant qui circule dans le circuit Visualiser la tension et le courant de l’inductance Interpréter les allures obtenues Conclusion ? NB : On connectera toujours un ampèremètre en série et un voltmètre en parallèle. Année universitaire 2017/2018 15 TP 02 : Mesure des tensions et courants en triphasé I. Rappel théorique I.1. Définitions et caractéristiques Un circuit triphasé est un circuit alimenté par trois tensions alternatives sinusoïdales v1(t), v2(t), v3(t), et parcouru par 3 courants alternatifs sinusoïdaux i1(t), i2(t) et i3(t). Les valeurs de v1(t), v2(t), v3(t) et de i1(t), i2(t), i3(t) changent avec le temps. Le circuit est constitué de 3 phases notées Ph1 ou L1 ou R, Ph2 ou L2 ou S, Ph3 ou L3 ou T, référencée par rapport à une masse ou un neutre N. Fig. 1. Circuit triphasé. Comme en circuit monophasé, en circuit triphasé, un courant alternatif sinusoïdal est un courant bidirectionnel, périodique et symétrique. Il en est de même pour une tension alternative sinusoïdale. La représentation graphique du courant varie en fonction du temps de façon sinusoïdale. Les trois courants i1(t), i2(t) et i3(t) ont la même fréquence. Un circuit triphasé est caractérisé par le fait que les trois tensions ont la même fréquence et sont déphasées les unes par rapport aux autres de 120°. Année universitaire 2017/2018 16 I.2. Réseaux triphasés Les réseaux triphasés ou secteur triphasé sont des sources de tension constitués de 3 bornes de phase, d’une borne de neutre et d’une borne de terre PE. Parfois, il arrive qu’il n’y a pas de neutre. I.2.1. Tensions simples Dans le cas d’un réseau triphasé avec neutre, on appelle tensions simples les différences de potentiel mesurées entre une phase et le neutre et dont les valeurs efficaces sont notées :V1 pour la phase 1, V2 pour la phase 2 et V3 pour la phase 3. En général sur un réseau triphasé on a V1 = V2 = V3 = V. I.2.2. Tensions composées Dans le cas d’un réseau triphasé sans neutre, on appelle tensions composées les différences de potentiel mesurées entre deux phases et dont les valeurs efficaces sont notées :U12 = V1 – V2 , U23 = V2 – V3 et U31 = V3 – V1 . En général sur un réseau triphasé on a U12 = U23 = U31 = U . Fig. 2. Réseau triphasé. I.3. Représentation de Fresnel des tensions A partir des 3 tensions simples définies positivement dans le sens trigonométrique, nous pouvons construire la représentation de Fresnel des tensions composées : ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ Année universitaire 2017/2018 ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ (1) 17 Fig.3. Tensions simple et tensions composées. Sur la représentation de Fresnel on constate que les tensions composées sont en avance de phase de par rapport aux tensions simples de π/6 rad. Lorsque l’ordre de passage des vecteurs dans le sens trigonométrique est V1 puis V2 puis V3 pour les tensions simples ou bien U12 puis U23 puis U31 pour les tensions composées, le système est dit direct. Lors du contrôle de la rotation des phases on vérifie le sens direct : RST dans le sens trigonométrique. Exemple de réseaux triphasés Le réseau triphasé le plus connu est le réseau 230V/ 400V ce qui signifie que : V = 230 V et U = 400 V Si une seule tension est citée, par exemple réseau 400 V, on parle alors de la tension composée. I.4. Récepteurs triphasés Les récepteurs triphasés sont constitués de trois récepteurs monophasés d’impédances Z1, Z2 et Z3. Année universitaire 2017/2018 18 Fig.4. Recepteur triphasé. Un récepteur triphasé est donc un système avec 6 bornes que l’on doit alimenter avec un réseau triphasé constitué de 3 bornes de phase et éventuellement d’une borne de neutre. Donc pour alimenter un récepteur triphasé avec un réseau triphasé, il est nécessaire de réaliser un couplage des 6 bornes du récepteur. I.4.1. Couplage ETOILE Dans un couplage étoile chacun des récepteurs est branché entre une phase et le neutre ; La tension à ses bornes est donc la tension simple du réseau. Chacun des récepteurs est traversé par le courant de ligne présent dans le conducteur qui l’alimente. Loi des nœuds : ⃗⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ (2) Fig.5. Recepteur triphasé couplé en étoile. Année universitaire 2017/2018 19 Le couplage étoile est noté : Y Le nom du couplage vient du fait que les 3 impédances sont reliées en forme d’étoile : Fig.6. Couplage étoile. I.4.2. Couplage TRIANGLE Dans un couplage triangle chacun des récepteurs est branché entre deux phases; La tension à ses bornes est donc la tension composée du réseau. Chacun des récepteurs est traversé par le courant noté J qui n’est pas le courant de ligne présent dans le conducteur qui l’alimente. Fig.7. Récépteur triphasé couplé en triangle. Le couplage triangle est noté : ∆ Le nom du couplage vient du fait que les 3 impédances sont reliées en forme de triangle : Fig.8. Couplage triangle. Année universitaire 2017/2018 20 Relation entre courant de ligne et courant dans un récepteur Dans un couplage étoile, le courant dans le récepteur est le même que le courant de ligne. Dans un couplage triangle, le courant dans le récepteur n’est pas le même que le courant de ligne D’une manière générale pour un couplage triangle le courant de ligne est plus grand que le courant dans le récepteur. La relation est la suivante : √ (3) I.4.3. Choix du couplage Avant de brancher un récepteur triphasé sur un réseau triphasé il convient de savoir répondre à la question suivante : quelle tension peut supporter chacune des impédances du récepteurs ? S’agit-il de la tension simple ou de la tension composée du réseau ? Si les impédances supportent la tension simple du réseau elles doivent être branchées entre une phase et le neutre donc elles devront être couplées en étoile : couplage étoile. Si les impédances supportent la tension composée du réseau elles doivent être branchées entre deux phases donc elles devront être couplées en triangle : couplage triangle. Si les impédances supportent une tension supérieure à la tension composée quel que soit leur couplage elles seront sous alimentées. Si elles supportent une tension inférieure à la tension simple il ne faut surtout pas les brancher. I.5. Système triphasé équilibré Lorsque les trois tensions qui composent le réseau triphasé sont identiques : même amplitude, même fréquence et même déphasage de 120 degrés les unes par rapport aux autres, Année universitaire 2017/2018 21 Et lorsque les trois éléments qui composent le récepteur triphasé sont identiques : même impédance, même résistance, même réactance, même nature Alors les trois courants qui alimentent le récepteur triphasé sont identiques : même amplitude, même fréquence et même déphasage de 120 degrés les uns par rapport aux autres. On dit alors que le système triphasé est équilibré. Prenons l’exemple d’un moteur constitué de 3 enroulements identiques couplés en étoile et alimentés par un réseau triphasé de trois tensions identiques. Fig.9. Système triphasé équilibré. Les tensions simples V1, V2 et V3 ont même amplitude V et sont déphasées l’une par rapport à l’autre de 120 degrés. Les trois enroulements Z1, Z2, Z3 sont soumis à la même tension simple du réseau et ont la même impédance Z. Les trois courants I1, I2 et I3 traversant les enroulements ont donc la même amplitude I. Ils sont respectivement en retard par rapport à V1, V2, V3 avec le même déphasage ϕ et sont donc déphasés l’un par rapport à l’autre de 120°. En régime triphasé équilibré le courant dans le neutre est nul. Donc pour un système triphasé équilibré, couplé en étoile, il n’est pas nécessaire de brancher le fil de neutre sur le couplage. Année universitaire 2017/2018 22 I.6. Système triphasé déséquilibré Lorsque les trois tensions qui composent le réseau triphasé ne sont pas identiques : Amplitude différente, ou fréquence différente ou déphasage différent de 120 degrés ou lorsque les trois éléments qui composent le récepteur triphasé ne sont pas identiques : impédance différente, ou résistance différente, ou réactance différente, ou nature différente. Alors les trois courants qui alimentent le récepteur triphasé ne sont pas identiques : amplitude différente, ou fréquence différente, ou déphasage différent de 120 degrés On dit alors que le système triphasé est déséquilibré. En régime triphasé déséquilibré le courant dans le neutre n’est pas nul. Donc pour un système triphasé déséquilibré, couplé en étoile, il faut absolument s’assurer que le fil de neutre est branché sur le couplage. II. Partie Pratique II.1. Objectifs Apprendre à mesurer les courants et les tensions en triphasé, Apprendre à utiliser le Cassy Lab afin de mesurer et visualiser les tensions et les courants dans une installation électrique triphasée, Apprendre à utiliser le Multimètre à affichage numérique, Apprendre l’utilisation de l’oscilloscope. II.2. Matériels Utilisés 8. Transformateur 45/90 3N 9. Charge de puissance triphasée (R, L, C) (726 80) (735 09) 10. Multimètre numérique 11. Capteur Sensor-Cassy 2 (524 013) 12. Fils de connexion 13. Ordinateur Année universitaire 2017/2018 23 14. Oscilloscope II.3. Manipulation - Réaliser le schéma électrique de la figure 10. Source triphasé équilibrée Charge triphasé équilibrée L1 V1 R1 L2 V2 R2 L3 V3 R3 Fig.10. V1=V2=V3 = 90 V ; R1=R2=R3= 100 Ω ; L1=L2=L3= 50 mH. A. En utilisant le multimètre : Mesurer les courants qui traversent les résistances R1 , R2 et R3. Mesurer les tensions aux bornes chaque phase de la charge (RL). Qu’est-ce que vous remarquez ? B. En utilisant l’oscilloscope : Visualiser les tensions aux bornes les résistances R1, R2 et R3. Visualiser le courant qui circule dans les résistances R1, R2 et R3. Visualiser sur le même graphe la tension aux bornes R1 et le courant qui traverse R1. C. En utilisant le Cassy Lab Visualiser les tensions aux bornes la résistance R1 et l’inductance L1. (Sauvegarder les figures obtenues sous Fig. C.1 et Fig. C.2) Année universitaire 2017/2018 24 Visualiser le courant qui circule dans R1. (Sauvegarder la figure obtenue sous Fig. C.3) Visualiser la tension et le courant de l’inductance L1. (Sauvegarder la figure obtenue sous Fig. C.4) Interpréter les allures obtenues Conclusion ? Année universitaire 2017/2018 25 TP 03 : Mesure des puissances en triphasé I. Rappel théorique I. 1. Définition La figure ci-dessous présente le schéma de principe d’un circuit monophasé. Fig.1. Circuit monophasé. Tout système electrique utilise le courant alternatif met en jeu deux formes de puissances : active et réactive. La puissance active P Elle se transforme intégralement en puissance utile de forme mécanique, thermique ou lumineuse. La puissance active myenne est définie par la relation suivante : [W] (1) Avec 𝝋 est le déphasage entre le courant I et la tension U La puissance réactive Q Elle sert à la magnétisation des circuits magnétiques des machines électriques(transformateurs et moteurs). La puissance réactive correspond une énergie réactive qui va périodiquement de la source vers le recepteur puis du récepteur vers la source , et ainsi de suite san ne jammais etre absorbée par le récpteur. La puissance réactive moyenne est définit par la relation suivante : [VAR] (2) Année universitaire 2017/2018 26 La puissance apprente S : Elle est égale à la somme vectorielle des deux puissances active et réactive (théoreme de Boucherot) et elle permet de déterminer la valeur du courant absorbé par la charge. La puissance apparente est donnéee par : [VA] (3) A aprtir des expressions ci-dessus, on peut écrire : √ (4) Et (5) C’est le facteur de puissance I.2. Mesure de puissances en monophasé La puissance active est mésurée directement par un wattmètre. Le wattmètre monophasé est un appareil de mesure de puissance en monophasé. Il est constitué de deux bobines : une bobine courant qui permet de mesurer le courant qui traverse la charge ( équivalent à un ampermetre) et une bobine tension mesurant la tension aux bornes de la charge (équivalent à un voltmètre). L’indication du wattmetre est proportionnele a la valeur myenne de la puissance active en alternatif. La puissance apparente d’un système monophasé est mésurée à l’aide d’un voltmetre et un ampermetre en calculant le prduit tension⨯courant. Concernat la puissance réactive et facteur de puissance , ils peuvent etre detuites en utilisant les relations decrites précédement. Fig. 2. Branchement du Wattmètre. Année universitaire 2017/2018 27 I.3. Puissances en régime triphasé I.3.1. Méthode de trois wattmètres Lorsque le système triphasé est non équilibré est avec neutre branché (système non équilibré à 4 fils), on doit utiliser trois wattmètres pour mesurer la puissance totale. Fig.3. Méthode de trois Wattmètres. Dans ce cas, la puissance active totale est : (6) I.3.2Méthode d’un seul wattmètre Cette méthode est valable lorsque le système triphasé est équilibré et avec neutre branché (système équilibré à 4 fils). Fig.4. Méthode d’un seul Wattmètre. Année universitaire 2017/2018 28 La bobine courant est branchée sur la ligne (1), elle est donc traversée par le courant I1. La bobine tension du même wattmètre est branchée entre les lignes (1) et le neutre, elle mesure donc la tension simple V1. L’indication du wattmètre est donc : (7) Par conséquent, on peut déduire que la puissance active totale de ce système est : (8) I.3.3.Méthode des deux wattmètres Cette méthode de mesure est utilisée pour les systèmes triphasés sans neutre. Elle permet la mesure des puissances active et réactive. Le montage correspondant à la méthode est le suivant : Fig.5. Méthode de deux Wattmètre. La bobine courant du 1ére wattmètre est branchée sur la ligne(1), elle est donc traversée par le courant I1. La bobine tension du même wattmètre est branchée entre les lignes (1) et (3), elle mesure donc la tension composée U13 = V1 –V3. La bobine courant du 2éme wattmètre est branchée sur la ligne(2), elle est donc traversée par le courant I2. La bobine tension du même wattmètre est branchée entre les lignes (2) et (3), elle mesure donc la tension composée U23 = V2 –V3. Année universitaire 2017/2018 29 On montre que la puissance active totale de ce système triphasé est la somme des indications des deux wattmètres : √ (9) De même pour la puissance réactive on à : √ (10) II. Partie Pratique II.1. Précautions et recommandations Il est impératif : de faire vérifier le montage à chaque modification de câblage, de vérifier que les charges soient équilibrées avant la mise sous tension, de toujours mesurer les trois courants de ligne et les trois tensions simples ou composées afin de vérifier si le système est équilibré en courant et en tension (très important), de prendre soin de ne pas dépasser les valeurs nominales de courant et de tension, de chacune des charges, de prendre le type d'appareil adapté à la mesure à réaliser (valeur moyenne, efficace, efficace vraie, etc...), II.2. Objectifs Apprendre à mesurer les puissances actives, réactives et apparentes des récepteurs triphasés équilibrés alimentés par un réseau triphasé, évaluer le facteur de puissance d'une charge, effectuer un bilan de puissance par la méthode de Boucherot, II.3. Matériels Utilisés 15. Transformateur 45/90 3N 16. Charge de puissance triphasée (R, L, C) (726 80) (735 09) 17. Multimètre numérique 18. Unité de mesure triphasée (SENTRON PAC 3200) 19. Fils de connexion Année universitaire 2017/2018 30 II.4. Manipulation II.4.1. Réaliser le schéma électrique de la figure 6 (Charge résistive) Source triphasé équilibrée Charge triphasé équilibrée V1 R1 V2 R2 V3 R3 Fig.6. V1=V2=V3 = 90 V ; R1=R2=R3= 100 Ω ; A. En utilisant le multimètre : Mesurer les courants qui traversent les résistances R1, R2 et R3. Mesurer les tensions aux bornes chaque phase de la charge. B. En utilisant l’unité de mesure triphasée : Mesurer les courants de lignes I1, I2 et I3, Mesurer les tensions simples, les tensions composées du réseau, Mesurer les puissances actives, réactives et apparentes consommées par chaque phase de la charge, Mesurer la puissance active totale, la puissance réactive totale, et la puissance apparentes totale consommées par la charge, Année universitaire 2017/2018 31 Déduire le facteur de puissance de la charge, Qu’est-ce que vous remarquez ? II.4.2. Réaliser le schéma électrique de la figure 7 (Charge RL) Source triphasé équilibrée Charge triphasé équilibrée L1 V1 R1 L2 V2 R2 L3 V3 R3 Fig. 7. V1=V2=V3 = 90 V ; R1=R2=R3= 100 Ω ; L1 =L2 = L3 = 50 mH. -Refaire les mêmes mesures précédentes. II.4.3. Réaliser le schéma électrique (d’une charge triphasé équilibrée RC) -Refaire les mêmes mesures précédentes. - Dans un tableau récapitulatif, donner les résultats de mesures effectués pour chaque type de charge Conclusion ? Année universitaire 2017/2018 32 TP 04 : Essais sur le transformateur triphasé I. Rappel théorique I.1.Définitions Un transformateur est un convertisseur « alternatif-alternatif » qui permet de modifier la valeur efficace d’une tension alternative en maintenant la fréquence et la forme de l’onde inchangées. Les transformateurs sont des machines entièrement statiques, cette absence de mouvement est d’ailleurs à l’origine de leur excellent rendement. Leur utilisation est primordiale pour le transport de l’énergie électrique où l’on préfère « transporter des volts plutôt que des ampères». I.2. Symboles On représente les deux symboles les plus usuels du transformateur monophasé sur la figure 1. Les deux symboles représentés font apparaître la convention dite « des points ». Celle-ci permet de repérer les sens conventionnels des tensions. Une fois ce sens repéré, il faut ensuite orienter les courants de telle manière à toujours faire apparaître le primaire en récepteur et le secondaire en générateur. C’est uniquement en respectant ces conventions que les relations fondamentales s’appliquent sans souci de signe. Fig. 1. Symboles du transformateur. I.3. Transformateur monophasé Un transformateur comprend : – Un circuit magnétique fermé : * de perméabilité magnétique aussi haute que possible afin de faciliter le plus possible le passage des lignes de champ magnétique ; Année universitaire 2015/2016 33 * d’hystérésis aussi faible que possible pour limiter les pertes ; * feuilleté (tôles de 0,2 à 0,3 mm d’épaisseur) afin de limiter les courants de Foucault. * de résistance électrique aussi élevée que possible, toujours dans le but d’affaiblir les courants de Foucault, à cette fin on utilise des aciers au silicium (2 à 3 %). – Deux enroulements (bobines) : *le primaire alimenté par un générateur de tension alternative de tension V1 et comportant N1 spires. Il absorbe le courant I1. Le primaire transforme l’énergie électrocinétique reçue en énergie magnétique. C’est un récepteur d’énergie électrique qui transforme cette énergie en énergie magnétique ; * le secondaire comporte N2 spires ; il fournit, sous la tension V2, un courant I2 au dipôle récepteur. Le secondaire transforme l’énergie magnétique reçue du primaire en énergie électrocinétique. C’est un générateur d’énergie électrique. Les deux enroulements sont isolés électriquement, mais magnétiquement couplés par le flux. Fig. 2. Transformateur monophasé. I.4. Le transformateur triphasé Un transformateur triphasé est constitué, au départ, de l'association de 3 transformateurs monophasés dont les 3 primaires et les 3 secondaires sont connectés soit en étoile, soit en triangle . Année universitaire 2015/2016 34 Fig. 3. Transformateur triphasé. Les 3 primaires sont alimentés par une source de tension alternative triphasée équilibrée. Par conséquent, les 3 courants magnétisants et donc les 3 flux dans les trois noyaux forment eux aussi un système triphasé équilibré dont la somme est nulle. Si on réunit les 3 circuits magnétiques, le montant commun aux trois circuits est donc parcouru par un flux nul et il peut être supprimé (tout comme le fil neutre dans les circuits triphasés équilibrés connectés en étoile-étoile) (fig. 4). Fig. 4. Pour des raisons de facilité de construction et d'encombrement, on ramène généralement les 3 montants subsistants dans un même plan (figure 5). Fig. 5. Année universitaire 2015/2016 35 I.5. Indice horaire Le fait d'effectuer les connections en étoile ou en triangle, de permuter ou non les phases, d'inverser ou non le sens des enroulements permet d'introduire un retard des grandeurs secondaires par rapport aux grandeurs primaires qui peut être n'importe quel multiple de 30°. Exemple de couplage horaire 5 heures ( = 150°) (530°=150°) Comme il y a 12 positions possibles, on a l'habitude en électrotechnique d'indiquer ce déphasage sous la forme d'un "indice horaire". Par exemple, un indice horaire de 2 correspond à un retard des grandeurs secondaires de 60°. On peut montrer que, moyennant des règles de bonne connexion, on peut toujours ramener le déphasage entre grandeurs correspondantes primaires et secondaires à 0°, 30° ou 60°. I.6. Couplage des Enroulements Les types de couplage du transformateur triphasé les plus répondus avec leurs rapports de transformation en tension sont montrés dans le tableau 1. Année universitaire 2015/2016 36 Tableau 1. Les types de couplage du transformateur triphasé avec leurs rapports de transformation. II. Partie pratique II.1. But du travail Les objectifs attendus de ce travail est que l’étudiant doit être capable de : connecter un transformateur triphasé par différents types de couplage, Détermination des différents rapports de transformation en tension et en courant du transformateur triphasé, Connaitre le comportement du transformateur pour différents types de couplage II.2. Liste du matériel 1 transformateur triphasé 1 source de tension triphasée 400/2.5A Année universitaire 2015/2016 733 90 725442D 37 1 charge résistive 73240 2 voltmètres 0……….400V 2 ampèremètres 0……1A Fils de connexion et de câblage 4 multimètres 72710 Fig. 6. Schéma de l’unité du transformateur triphasé. II.3.Manipulation II.3.1.Essai à vide 1. Réaliser le montage du schéma électrique représenté sur la figure suivante : Fig. 7. Schéma d’un transformateur à vide connecté en Y/y. -Fixer une tension d’alimentation entre phase de 400 V/2.5A. Année universitaire 2015/2016 38 -Mesurer les courants au primaire , et et les tensions composées entre les points (2U1-2V1), (2V1-2W1) et (2W1-2U1) dans le secondaire. -Calculer le rapport de transformation en utilisant les tensions mesurées et le comparer avec celui déduit en utilisant les nombres de spires. II.3.2. Essai en charge - Réaliser le montage du schéma électrique représenté sur la figure suivante : Fig. 8. Circuit d’un transformateur triphasée connecté en Y/y pour la détermination du rapport de transformation en courant. - Fixer la charge résistive à une valeur initiale de 100 % puis alimenter le circuit. De la même manière que précédant, la source de tension triphasée 400V/2.5A doit être fixé à une tension nominale de 400V. I2= , I1= . - Formuler le rapport de transformation de courant à partir des données ci-dessus et le comparer à la valeur qui est calculée à partir des nombres de spires. Année universitaire 2015/2016 39 Année universitaire 2015/2016 40 Appendice : Les risques électriques 1. Le risque électrique provient : des contacts avec une pièce conductrice portée à un potentiel différent de celui de la personne exposée ; des amorçages qui provoquent, selon la puissance électrique en jeu, des étincelles ou des arcs électriques (projection de particules en fusion) ; des courts-circuits dont les effets (effet de souffle et thermique) sont également liés à la puissance électrique en jeu. 2. Les effets sur les personnes L’électrocution: décès L’électrisation: 3. La réaction du corps due à un contact accidentel avec l’électricité ( choc électrique) Les brûlures. Soit par incendie soit par projection de particules. L’inhalation de gaz nocifs. 4. Les organes fragiles : Ils sont 40 fois moins résistants que la peau : le cerveau ; les poumons ; le cœur ; le foie ; les reins. 5. Zones temps / courant des effets du courants alternatifs Année universitaire 2015/2016 41 Zone 1 : habituellement aucune réaction. Zone 2 : habituellement aucun effet physiologique dangereux. Zone 3 : habituellement aucun dommage organique. Zone 4 : probabilité de fibrillation ventriculaire augmentant jusqu'à environ 5 % (courbe C2), 50 % (courbe 3), et plus de 50 % (au-delà C3). Année universitaire 2015/2016 42 Références bibliographiques [1] L. Lasne. " Electrotechnique et énergie électrique". Edition Dunod, 2013. [2] T. Neffati. " Electricité générale analyse et synthèse des circuits". Edition Dunod, 2008. [3] B. Laporte. " Machines électriques tournantes ". Edition Ellipses, 2007. [4] G. Chateigner, M. Boïs, D. Bouix, J. Vaillant et D. Verkindère. " Manuel de génie électrique ". Edition Dunod, 2007. [5] P. Mayé. " Aide-mémoire électrotechnique". Edition Dunod, 2006. [6] B. Laporte. " Machines électriques tournantes ". Edition Ellipses, 2007. [7] A. Benoudjit. " Introduction aux machines électriques". Presses de l’université de Batna.1995. [8] G. Séguier et F. Notelet. " Electrotechnique industrielle". Technique et Documentation (Lavoisier).1987. [9] A. Fouillé et C. Naudet. " Electrotechnique à l’usage des ingénieurs Tome 2 machines électriques à courant alternatifs". Edition Dunod, 1980. [10] B. Saint-Jean. " Electrotechnique et machines électriques ". Edition Eyrolles, 1977. Année universitaire 2015/2016 43
