conversion d`energie electromagnetique

UNIVERSITE DE LIEGE
Faculté des Sciences Appliquées
Département d’Electricité, Electronique et Informatique
Institut Montefiore
CONVERSION D’ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE
Travaux Pratiques
3ème Bachelier Ingénieur Civil
Applied and Computational Electromagnetics
Professeur C.Geuzaine
Assistant F. Plumier
Année Académique 2012-2013
Version 1.0 (2 mars 2012)
« Rien de ce qui existe par nature ne peut être rendu autre par l’habitude : ainsi la pierre, qui
se porte naturellement vers le bas, ne saurait être habituée à se porter vers le haut, pas même
si des milliers de fois, on tentait de l’y accoutumer en la lançant en l’air ; pas davantage ne
pourrait-on habituer le feu à se porter vers le bas (…)
Pour les arts, au contraire, leur possession suppose un exercice antérieur. En effet, les choses
qu’il faut avoir apprises pour les faire, c’est en les faisant que nous les apprenons : par
exemple, c’est en contruisant qu’on devient constructeur, et en jouant de la cithare qu’on
devient cithariste (…)
Jouer de la cithare forme indifféremment les bons et les mauvais citharistes. On peut faire
une remarque analogue pour les constructeurs de maison et tous les autres corps de métier :
le fait de bien construire donnera de bons constructeurs, et le fait de mal construire, de
mauvais. En effet, s’il n’en était pas ainsi, on n’aurait aucun besoin du maître, mais on serait
toujours de naissance bon ou mauvais dans son art.
Aristote, Ethique à Nicomaque (II, 1)
INTRODUCTION
But des travaux pratiques
Les travaux pratiques ont pour but de permettre aux étudiants de travailler sur une installation
réelle comportant transformateurs, moteurs et générateurs et d’y relever des mesures de
tension, de courant, de vitesse et de couple. Les résultats de mesure seront comparés aux
courbes vues lors du cours théorique. Les manipulations donnent à la fois une illustration
directe de la théorie et une perspective pratique sur la conversion d’énergie
électromagnétique.
Modalités pratiques.
Les séances de laboratoire durent quatre heures, de 8h30 à 12h30 le matin et de 14h à 18h
l’après-midi. La préparation au laboratoire est nécessaire, vu la complexité de certaines
parties de la matière ainsi que les niveaux de tension et de courant mis en jeu lors des
manipulations. Chaque séance commence par une interrogation permettant de vérifier la
bonne préparation au labo. A la fin du laboratoire, chaque étudiant est amené à remettre un
calcul réalisé sur les mesures prises au laboratoire. Ce calcul constitue la seconde partie de
l’évaluation de labo.
Mesures de sécurité.
En vue d’assurer la sécurité de tous, quelques règles de base sont à respecter au laboratoire de
conversion d’énergie électromagnétique :
- Seuls les groupes qui travaillent sont admis à l’intérieur du laboratoire. Donc, il est demandé
aux étudiants de demeurer à l’extérieur du laboratoire jusqu’à l’arrivée de l’assistant. Les
groupes ayant terminé leurs manipulations devront quitter le laboratoire.
- Avant de mettre les machines sous tension, il faut impérativement appeler un assistant afin
de vérifier le montage ! Le groupe d’étudiant ne respectant pas cette consigne sera exclu du
laboratoire en cours.
Rappels
1
Les appareils de mesure
1.1
Grandeurs continues
Ces appareils dérivent du galvanomètre à cadre mobile. Ils sont identifiables par les signes suivants:
Le voltmètre est un galvanomètre avec une très grande résistance en série.
L’ampèremètre est constitué d’un millivoltmètre et d’un shunt.
mV
Deux grandeurs caractéristiques permettent de définir le shunt: le courant maximum permis et la chute
de tension correspondante.
1.2
Grandeurs alternatives
Ces appareils se distinguent par un signe schématisant une sinusoïde suivi généralement des
fréquences limites entre lesquelles ils doivent être utilisés.
1.2.1
Les ampèremètres
La plupart de ces appareils permettent une mesure directe d’un courant dont l’intensité maximale ne
dépasse pas 5 ou 6 A. Pour étendre leur gamme, on se sert d’un transformateur d’intensité (ou "TI")
comme intermédiaire.
50 A
l(s2)
25 A
10 A
K(P1)
0A
A
k(s1)
Le secondaire du TI est le plus souvent prévu pour un
courant de 5 A maximum et plusieurs prises
autorisent le choix du rapport approprié.
Remarque :
On ne peut jamais ouvrir le circuit secondaire d’un Transformateur d’Intensité lorsqu’un
courant circule dans son bobinage primaire.
En effet, le TI entrerait en saturation (n1i1-n2i2 = …) et il y aurait apparition d’un tension induite très
grande au secondaire, avec risque de détérioration du matériel et danger pour l’utilisateur.
1.2.2
Les voltmètres
Leurs gammes sont assez étendues pour ne pas nécessiter lors des séances de laboratoires de
transformateurs de potentiel (ou "TP").
1.2.3
Les wattmètres
Ils sont composés d’un équipage ampèremétrique qui accepte un courant nominal, le plus souvent de 5
A, et d’un équipage voltmétrique.
L’indication du wattmètre est la valeur moyenne du produit u(t).i(t). Pour des courants et tensions
sinusoïdaux, cela donne UI cos  . Chaque équipage possède une borne repérée par une étoile et les
conventions suivantes sont adoptées pour que la déviation de l’appareil soit positive: ampèremétrique
côté générateur et voltmétrique côté de l’équipage ampèremétrique.
Mesure en monophasé
Remarque: un ampèremètre de contrôle doit toujours être mis en série avec l’équipage ampèremétrique
pour contrôler que l’on ne dépasse pas l’intensité maximale permise.
Mesure en triphasé
La méthode des deux wattmètres est la suivante :
 W1  W2
P
G  R
tg φ  3
Remarques:
W1  W2
W1  W2
1) W1 ou W2 peut être négatif mais leur somme doit être positive.
2) Cette somme représente la puissance active, c’est-à-dire le produit UI cos où U est
la tension phase-neutre; dans le cas où on utilise la tension phase-phase, il est
nécessaire d’introduire la racine carrée de trois dans le produit.
Cas où le neutre est accessible
Dans un système équilibré, on peut ne brancher qu’un wattmètre en mettant une borne voltmétrique au
neutre. On mesure alors un tiers de la puissance totale.
Moteur asynchrone
Relevé de la courbe C(N)
Détermination du schéma équivalent
1. Matière à préparer :

Régimes triphasés : puissance, montages étoile et triangle, phaseurs, …

Théorie du moteur asynchrone : principe physique, schéma équivalent, diagramme
du cercle, alimentation à fréquence variable, …

Méthodes de démarrage du moteur asynchrone.

Méthodes de mesures DC et AC : shunt de mesure, transformateurs d’intensité,
méthode des deux wattmètres, …
2. Essais à réaliser
a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour les machines, il faut
toujours commencer par relever les caractéristiques nominales de courant, tension,
puissance, vitesse de rotation de chaque machine.
Ces caractéristiques sont indiquées sur la plaque signalétique des machines.
Un exemple d’une plaque signalétique d’une machine vous est donnée ci-dessous.
Questions :
- Comment se fait-il qu’il y ait deux valeurs du courant nominal alors qu’il n’y a
qu’une seule valeur indiquée pour la puissance nominale ?
- A partir de la plaque signalétique ci-dessus, est-il possible de savoir de quel
type de moteur il s’agit ?
- Quelle est la vitesse de synchronisme du moteur correspondant à la plaque
signalétique donnée ci-dessus ?
- Que vaut le glissement en régime nominal ?
le couple nominal ?
b. On souhaite avoir un schéma équivalent du moteur asynchrone permettant de
connaître ses caractéristiques.
Réalisez les essais nécessaires à la détermination des valeurs des éléments du
schéma équivalent du moteur asynchrone.
Questions :
- Quels essais faut-il réaliser pour cela ?
- Quelles précautions faut-il prendre pour réaliser chacun de ces essais ?
- Faut-il viser un schéma équivalent monophasé ou plutôt triphasé ?
c. Relevez plusieurs points de fonctionnement du moteur.
En déduire les courbes suivantes :
- C = f(N)
- C = f(g)
- ηasync = f(C)
- ηglobal de l’installation pour un point particulier de fonctionnement
- ηmoteur DC
idem
4. Problème :
Un moteur asynchrone dont le stator possède quatre pôles est alimenté par le réseau 60
Hz et tourne avec un glissement de 5%. Quelle est sa vitesse de rotation en tours/min ?
5. Quelques photos
Le rotor d’un moteur monophasé
(découpé de façon à ce qu’on puisse voir la
cage d’écureuil)
Le stator du même moteur monophasé.
Ce moteur provient d’une machine à lessiver.
Un moteur asynchrone triphasé typique du
monde de l’industrie
Alternateur
Détermination du schéma équivalent (Xs)
Mise en parallèle sur le réseau
Relevé d’une courbe en V
1. Matière à préparer
 Régimes triphasés : puissance, montages étoile et triangle, phaseurs, …
 Principe physique de la machine synchrone
 Caractéristiques à vide, en court-circuit et réactance synchrone
 Mise en parallèle sur le réseau
 Courbes en V
 Pertes et rendement
 Transits de puissance
2. Essais à réaliser
a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour les machines, relevez les
caractéristiques nominales de courant, tension, puissance, vitesse de rotation, etc. de
chaque machine. Ces données sont indiquées sur la plaque signalétique des machines.
b. Déterminez par mesure (puis par calcul) l’évolution de la réactance synchrone (Xs) en
fonction du courant d’excitation de l’alternateur (ie)
Questions :
- Pour obtenir Xs(ie), quels essais devez-vous réaliser ?
- Dans quelles conditions particulières ces essais doivent-ils être réalisés ?
- Quelles précautions faut-il prendre lorsqu’on effectue ces essais ?
c. Réalisez une mise en parallèle de l’alternateur sur le réseau.
En faisant ensuite varier la puissance mécanique fournie à l’alternateur, relevez pour 3
points de fonctionnement les valeurs de la tension aux bornes de l’alternateur, et du
courant I et de la puissance active W injectés par l’alternateur dans le réseau.
Déduisez à partir du diagramme vectoriel la valeur de ie et comparez-la à la valeur
mesurée.
d. Relevez deux courbes en V de l’alternateur
Questions :
- Pour observer la courbe en V, faut-il connecter l’alternateur en parallèle sur le
réseau électrique ou plutôt le connecter à une charge ? Expliquez.
- La courbe en V permet d’étudier l’évolution de quelle grandeur en fonction de
quelle autre ?
- Quel est l’intérêt pratique, dans le cadre de la production d’énergie électrique,
de relever cette courbe en V ?
3. Problème
Lors d’un essai à 1500 tours/min et ie = 1A, on a relevé Ev = 50V et Icc = 20 A.
Pour le même ie et à 3000 tours/min, on demande les valeurs de Ev, Xs et Icc.
4. Courbe en V d’un des alternateurs de la centrale de Tihange
Machines DC
Caractéristique mécanique d’un moteur
Caractéristiques à vide et extérieure
d’une génératrice à exc. ind. et shunt
1. Matière à préparer
 Principe physique des machines à courant continu : moteur et génératrice
 Caractéristiques des moteurs shunts
 Caractéristiques des génératrices shunt et à excitation indépendante
 Démarrage d’un moteur shunt
 Réaction d’induit et pertes dans les machines à courant continu.
2. Essais à réaliser
- La température de régime d’une machine à pleine charge est voisine de 70°C. Quand
la machine tourne à vide, elle a une température de 30°C.
- Ra = 0,512 Ω à 20°C pour les deux machines (α = 4 10-3)
a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour les machines, il faut toujours
commencer par relever les caractéristiques nominales de courant, tension, puissance,
vitesse de rotation, etc. de chaque machine.
Ces caractéristiques sont indiquées sur la plaque signalétique des machines.
b. Relevez la caractéristique mécanique du moteur shunt.
Questions :
- Dans quelles conditions particulières ces essais doivent-ils être réalisés ?
- Quelles précautions faut-il prendre lorsqu’on effectue ces essais ?
c. Relevez la caractéristique à vide de la dynamo à excitation indépendante à 1550 t/min.
Justifiez son allure.
d. Relevez la caractéristique extérieure de la dynamo à excitation indépendante en
l’entraînant à 1500 t/min. (Régler l’excitation de la génératrice de sorte que la tension
à vide à 1500 t/min soit égale à la tension nominale de la machine.)
Justifiez son allure.
e. Relevez la caractéristique extérieure de la dynamo à excitation shunt en l’entraînant à
1500 t/min. (Régler l’excitation de la génératrice de sorte que la tension à vide à 1500
t/min soit égale à la tension nominale de la machine.)
Comparez cette caractéristique à celle de la génératrice à excitation indépendante.
3. Problème
Un moteur shunt possède les caractéristiques suivantes : UN = 110V, IN = 110A, NN =
3000 t/min, Ra = 0,1 Ω. Calculez :
1. La résistance à placer en série avec l’induit lorsqu’on démarre sous 110V et qu’on
limite le courant de démarrage à 2 fois le courant nominal.
2. Le couple électromagnétique lorsqu’à la vitesse nominale le courant d’induit vaut 85A
et que la tension d’alimentation est de 110V.
Transformateur triphasé
1. Matière à préparer
 Régimes triphasés : puissance, montages
étoile et triangle, phaseurs, …
 Principe physique du transformateur
 Détermination des éléments du circuit
équivalent
 Fonctionnement à vide, en court-circuit
et en charge
 Détermination du rendement et de la
caractéristique extérieure
2. Essais à réaliser
Précautions
Lors de chaque coupure de l’alimentation du transformateur, ramener la tension
primaire à zéro à l’aide de l’autotransformateur avant le prochain essai.
Pour l’essai en court-circuit, demander à l’assistant de court-circuiter le
transformateur et veiller à alimenter le primaire sous une tension extrêmement
réduite.
Veiller à ne jamais dépasser les valeurs nominales du courant et de la tension.
a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour le transfo, il faut toujours
commencer par relever les caractéristiques nominales de courant, tension, puissance
de celui-ci. Ces caractéristiques sont indiquées sur la plaque signalétique du transfo.
b. Déterminez par mesure (puis par calcul) les éléments du schéma équivalent du
transformateur.
Questions :
- Pour cela, combien d’essais devrez-vous réaliser ?
- Dans quelles conditions particulières ces essais doivent-ils être réalisés ?
- Quelles précautions faut-il prendre lorsqu’on effectue ces essais ?
c. Déterminez le rapport du nombre de spires d’une bobine secondaire avec le nombre de
spires d’une bobine primaire.
Etablissez théoriquement le rapport de transformation dans les différentes
configurations et vérifiez vos résultats par mesure.
d. Relevez la caractéristique extérieure du transformateur pour une charge résistive.
e. Pour un régime donné de fonctionnement, déterminez le rendement au moyen de deux
méthodes que vous comparerez. Déterminez la condition pour avoir un rendement
maximum.
f. Visualisez à l’aide de l’oscilloscope (demander à l’assistant d’effectuer tous les
réglages) l’évolution de la forme du courant magnétisant en fonction de la tension
appliquée pour une configuration triangle au primaire.
3. Problème
Un transformateur travaille à tension primaire constante. On mesure ses pertes
magnétiques.
A 60 Hz :
A 50 Hz :
pH = 420 W
pH = 504 W
pF = 210 W
pF = 210 W
Justifiez l’évolution des pertes par hystérésis et par courants de Foucault en fonction de la
fréquence.
4. Photo du transformateur à l’essai