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Essai de système
Lycée N.APPERT 44700 ORVAULT
Système d'éclairage et
perturbations
Objectifs
Etude du fonctionnement des systèmes d'éclairage fluorescents à tube et "fluocompacte" : fonctionnement, perturbations du
réseau.
Etude de l'influence des harmoniques sur le réseau et du courant dans le neutre.
Prérequis
Notion sur les harmoniques.
Expression des puissances en régime non sinusoï dal.
Matériel
Platine éclairage.
Oscilloscope et sondes courant et tension.
Analyseur de réseau Fluke 39 ou 41B.
Sommaire
1.Préparation--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
1.1 Décomposition en série de Fourier------------------------------------------------------------------------------- 2
1.2 Puissances ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2
2. Etude du tube fluorescent-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
2.1 Etude du régime permanent-------------------------------------------------------------------------------------- 2
2.2 Etude de la mise sous tension------------------------------------------------------------------------------------ 2
3. Etude d'une lampe fluocompacte----------------------------------------------------------------------------------------------- 2
3.1 Etude du régime permanent-------------------------------------------------------------------------------------- 2
3.2 Etude de la mise sous tension------------------------------------------------------------------------------------ 2
4. Influence sur le réseau ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
4.1 Etude du tube fluorescent---------------------------------------------------------------------------------------- 3
4.2 Etude de la lampe fluocompacte --------------------------------------------------------------------------------- 3
4.3 Etude d'un récepteur comportant une alimentation à découpage : micro ordinateur -------------------------------- 3
5. Perturbation en triphasé---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
5.1 Grandeurs caractéristiques d'un récepteur------------------------------------------------------------------------ 3
5.2 Composante homopolaire --------------------------------------------------------------------------------------- 3
Grandeurs périodiques non sinusoïdales ----------------------------------------------------------------------------- 4
Puissances-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
Eclairage_et_perturbations.doc
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Essai de système
Génie Electrotechnique
1.Préparation
1.1 Décomposition en série de Fourier
Rappeler, pour le cas général, la décomposition en série de Fourier d'un signal périodique non sinusoï dal.
Indiquer la valeur efficace, ainsi que le taux de distorsion harmonique
Traiter un exemple :
Soit un dipôle résistif de résistance R alimenté par une tension en triangle de fréquence f d'amplitude UM.
Exprimer la tension u(t) aux bornes de R et le courant i(t) qui le traverse.
Donner une représentation spectrale de ces grandeurs U(f) .
1.2 Puissances
Rappeler, toujours dans le cas général, l'expression des puissances active P, apparente S, réactive véhiculée par le premier
harmonique Q, ainsi que l'expression du facteur de puissance F.
Exprimer P, S et Q pour l'exemple ci-dessus.
2. Etude du tube fluorescent
2.1 Etude du régime permanent
On dispose d'une maquette qui permet d'avoir accès au
point commun entre tube et ballast. On nommera u1(t) la
tension aux bornes du ballast et u2(t) la tension aux
bornes du tube.(Figure ci-contre)
Proposer un montage permettant de visualiser mesurer
simultanément u(t) (tension réseau), i(t), u1(t), u2(t).
Réaliser le montage, relever les 4 signaux en utilisant la mémorisation du oscilloscope. Attention à la synchronisation : c'est
la tension secteur qui sert de référence. Faire une sortie papier et exploiter ces relevés. Faire apparaître entre autres le
déphasage u/i , la tension de décharge ....
2.2 Etude de la mise sous tension
On désire étudier la phase transitoire lors de la mise sous tension : on s'intéresse à u2(t) et i(t).
Procéder aux relevés mettant en évidence :
- la phase de mise sous tension, ou le courant reste faible, nécessaire à l'amorçage du starter
- la phase de chauffage des électrodes
- la phase de fonctionnement normal
Expliciter de façon détaillée le fonctionnement, après l'avoir confronté à la théorie.
3. Etude d'une lampe fluocompacte
La lampe utilisée, de marque quelconque, a une puissance indiquée de 22W sous 230V.
3.1 Etude du régime permanent
Il n'est pas possible d'avoir un accès au système enfermé à l'intérieur du culot de la lampe. On se contentera de relever
tension et courant secteur.
Discuter de l'allure du courant, et le comparer à celui appelé par un tube fluorescent classique.
3.2 Etude de la mise sous tension
Procéder aux relevés mettant en évidence la phase de mise sous tension.
Discuter de l'avantage par rapport au tube classique.
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Génie Electrotechnique
4. Influence sur le réseau
4.1 Etude du tube fluorescent
Le tube est alimenté et fonctionne normalement.
Relever à l'aide de l'analyseur de réseau les valeurs qui vous semblent les plus intéressantes.
Relever particulièrement les valeurs du fondamental et de l'harmonique 3, ainsi que leur déphasage / tension.
Discuter de la validité des résultats. La tension est-elle perturbée? Qu'en est-il pour le courant ? Ce récepteur perturbe-t-il le
réseau?
4.2 Etude de la lampe fluocompacte
Même questions que ci-dessus.
Bien relever les valeurs efficaces du courant (fondamental, harmoniques).
Essayer de justifier les résultats par rapport à la forme d'onde relevée.
4.3 Etude d'un récepteur comportant une alimentation à découpage : micro ordinateur
Même questions que ci-dessus.
Justifier la forme du courant en donnant le schéma de l'étage d'entrée d'une alimentation à découpage.
5. Perturbation en triphasé
On désire mettre en évidence l'effet néfaste des récepteurs perturbateurs, comme tous ceux comportant une alimentation à
découpage.
Pour cela on utilise une maquette permettant de mesurer puissances et courants dans 3 récepteurs identiques équilibrés,
ainsi que le courant dans le neutre. Les récepteurs peuvent être des micro ordinateurs, des lampes fluocompactes ou tout
récepteur comportant une alimentation à découpage.
5.1 Grandeurs caractéristiques d'un récepteur
A partir des relevés effectués en 4.2 ou 4.3, prédéterminer la valeur efficace du courant dans le neutre (les 3 récepteurs
identiques sont en service).
5.2 Composante homopolaire
Réaliser un montage de 3 récepteurs identiques en étoile.
Confirmer par une mesure du courant dans le neutre les résultats ci-dessus .
Conclure sur les problèmes posés par la distorsion harmonique dans la distribution électrique.
Proposer des solutions à ce problème.
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Génie Electrotechnique
Grandeurs périodiques non sinusoïdales
Les signaux de l’électronique de puissance ne sont que rarement sinusoï daux.
On est amené à définir des grandeurs caractérisant l’éloignement à la sinusoï de qui est l’onde de référence :
Facteur de forme:
F
x( t )
EFF
x (t )
MOY
X
x
Taux d’ondulation: B = valeur efficace de l’ondulation / valeur moyenne et on a B² = F² - 1
Spectre
Tout signal périodique f (t) se décompose en une suite de termes sinusoï daux : la mise sous cette forme d’un signal est
appelée « décomposition en série de Fourier »
Cette décomposition peut se faire par calcul.
Il est possible de réaliser cette opération en temps réel : c’est la décomposition de Fourier rapide : FFT.
Cas général : signal f(t) périodique donne
f (t)
a0
an cos n t
1
avec : a n
2
T
T
0
f (t ) cos n tdt
et :
bn
2
T
bn sin n t
1
T
0
f (t ) sin n tdt
On peut représenter son spectre dans le plan amplitude / fréquence. Celui-ci donne l’amplitude de chacune des
harmoniques.
Valeur efficace :
I
2
eff
1T 2
i ( t ). dt
T0
devient
I
In ²
de même pour la tension
n 0
U
Un ²
n 0
Exemple : signal carré
Ce signal se décompose de la façon suivante :
u (t )
4U M
cos t
4U M
cos 3 t ...
3
le 1er terme est le fondamental de u(t).
Eclairage_et_perturbatio
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4U M
cos n t
n
U1
U3
... U n
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Génie Electrotechnique
les suivants sont les harmoniques.
Il n’y a pas ici de termes en sinus car la
fonction est paire.
In ²
n 2
THD F
Taux de distorsion :
I1
par rapport au fondamental :
In ²
THD
n 2
R
I
par rapport à la valeur efficace totale :
Puissances
La puissance active, étant la moyenne du produit d’un courant et d’une tension décomposés en série de Fourier, se
calcule pour chaque harmonique. Elle vaut :
P
V0 I 0
Vn I n cos
n
n 1
avec Vn l’harmonique tension de rang n et In l’harmonique courant de rang n ,
n
le déphasage entre Vn et In.
Un résultat est important : celui correspondant à une tension sinusoï dale, le courant ne l’étant pas. Dans ce cas , seul le
fondamental du courant véhicule de la puissance active.
Puissance apparente :
C ‘est le produit de la valeur efficace du courant par la valeur efficace de la tension.
S
UI
Un ²
0
On définit la puissance réactive véhiculée par le premier harmonique :
La puissance déformante D se calcule par la relation
Facteur de puissance :
F
S2
P2
In ²
0
Q2
Q V1 I 1 sin
1
D2
P
S
Effets des harmoniques en triphasé
Il n’y a pas de composante continue ni d’harmoniques de rang pair.
Les harmoniques les plus importants sont de rang 3 (ainsi que les multiples de 3): ceux ci s’ajoutent dans le conducteur
neutre quand les récepteurs sont montés en étoile, ce qui est le cas le plus courant.
Ce résultat amène à surdimensionner le neutre dans certains cas (réseau avec beaucoup d’informatique par exemple).
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