TP MACHINES ELECTRIQUES 1 TP MACHINES ELECTRIQUES 1

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
UNIVERSITE KASDI
MERBAHMERBAH-OUARGLA
UNIVERSITE KASDI
MERBAH-OUARGLA
MERBAH
FACULTÉ DES SCIENCES APPLIQUÉES
Département de Génie Electrique
TP MACHINES ELECTRIQUES 1
&
ELECTROTECHNIQUE 1 (TRAVAUX PRATIQUES)
Troisième Année Licence Commande Electrique
&
Troisième Année Licence Electrotechnique
Cours préparé par : Dr. AHMED DJAFOUR
AVANT-PROPOS
Ce fascicule de travaux pratiques avec un condensé des cours, est essentiellement destiné aux
étudiants qui abordent les modules d’électricité et d’électrotechnique et très spécialement les
étudiants des modules TP MACHINES ELECTRIQUES 1, niveau troisième année Licence
commande électrique et les travaux pratiques de module ELECTROTECHNIQUE 1, niveau
troisième année Licence Electrotechnique. Il aidera à mieux s’imprégner de la théorie exposée
en cours en permettant sa mise en pratique au laboratoire.
Chaque expérience décrite comporte :
-
Les objectifs de la manipulation qui résume le travail à réaliser.
-
Le rappel théorique qui donne l’essentiel du cours.
-
Le matériel nécessaire à la manipulation
-
La manipulation proprement dite.
Les sujets des expériences proposées englobent dans une large mesure les domaines suivants :
- Circuits électriques monophasés et triphasés
- Circuits magnétiques et transformateur
- Machines à courant continu
Dr. Ahmed Djafour
2
SOMMAIRE
Avant – propos………………………………………………………………………
02
Recommandations………………………………………………………………......
04
TRAVAUX PRATIQUES
1-Etude expérimentale d’un circuit RL série……………………………………………...
06
2- Relevé oscilloscopique d’un cycle d’hystérésis………………………………………..
13
3- Le transformateur monophasé…………………………………………………………...
16
4- Mesure de puissance en triphasé…………………………………………………….….
22
5- Moteur à courant continu à excitation série……………………………………….…..
31
6- Moteur à courant continu à excitation shunt……………………………………….…
39
3
RECOMMENDATIONS
1) Recommandations relatives aux manipulations au laboratoire
Les expériences doivent débuter par la reconnaissance du poste de travail et particulièrement
par la familiarisation avec les équipements de mesure et l’appareillage équipant le poste de
travail. Le groupe faisant l’expérience, réalise le schéma du montage de mesure et après
vérification et consentement de l’enseignant se met à manipuler.
En préparent le schéma de mesure, il faut tenir compte des exigences suivantes :
*Le montage électrique doit présenter un disjoncteur à coupure visible entre la source
d’alimentation et le montage lui-même.
*La répartition des fils de connexion et des différents appareils de mesure doit permettre des
mesures faciles et une lecture aisée.
Les appareils de mesure doivent être choisis en tenant compte des valeurs approximatives des
grandeurs à mesures et surtout :
* Les autotransformateurs d’alimentation doivent être calibrés sur la plus faible tension.
*Les instruments de mesure doivent être mis sur le plus grand calibre.
*Les résistances, rhéostats, doivent être ajustées sur la plus grande valeur militante.
Remarque :
Le montage doit être vérifié par l'enseignant avant la mise sous tension. Il en
sera de même après chaque modification du circuit.
On fera vérifier avant chaque mise sous tension que les autotransformateurs
sont sur 0% afin d'éviter des courants de magnétisation destructeurs.
*En fin d’expérience, les résultats obtenus seront présentés à l’enseignant, les appareils de
mesure et les fils de connexion seront soigneusement rangés aux emplacements prévus.
1)
Recommandations relatives à la rédaction du compte rendu
Rédiger un compte rendu de TP consiste à retracer les différentes étapes de la démarche
adoptée pour résoudre un problème scientifique. Voici ce que j’attends de vous lorsque je
vous demande un compte rendu de TP. Votre compte rendu doit se composer des six parties
suivantes:
1. Décrire le problème posé, il s’agit de définir les objectifs de l’activité à atteindre.
2. Présenter les hypothèses, proposer en deux ou trois lignes les hypothèses que vous allez
suivre lors de l’activité.
3. Décrire le protocole expérimental (s’il n’est pas proposé dans l’énoncé de TP).
Décrire la stratégie mise en œuvre pour tester une hypothèse, décrire ce qui est réalisé pendant
4
la manipulation: le matériel utilisé (si le matériel est imposé par le protocole, faites référence
à celui-ci et ne rappelez pas), les précautions éventuelles à prendre, les schémas annotés des
montages expérimentaux, les grandeurs mesurées, les paramètres que vous ferez varier.
4. Présenter les résultats expérimentaux
Présenter les observations faites sous forme de schéma, d’illustrations colorées et légendées,
de commentaires… (Je vous rappelle qu’un bon schéma bien légendé vaut tous les
commentaires du monde !!!). Présenter les résultats expérimentaux (les mesures et leurs
unités, écrites en respectant le nombre de chiffres significatifs) sous une forme appropriée :
tableau de valeurs, représentation graphique…
5. Traiter les résultats expérimentaux
Tenir compte des incertitudes liées aux mesures. Mettre en évidence des facteurs d’influence,
une relation entre grandeurs…
Effectuer les calculs nécessaires pour valider vos hypothèses. Si vous avez des questions dans
votre fiche de TP, vous devez y répondre, car elles sont là pour vous guider.
6. Conclure et faire la critique de l’expérience
Indiquer si les hypothèses de départ sont validées ou non. Proposer une réponse au problème
posé. Dire si l’objectif est atteint. Comparer les résultats que vous avez obtenus à ceux de la
littérature (votre livre, web, encyclopédie…).
5
TP N°1
Etude expérimentale d’un circuit RL série
Objectifs de la manipulation :
Dans la pratique, nous rencontrons souvent des circuits composés que d'un élément réactif et
d'une résistance. Par exemple, les moteurs, composés d'enroulements réalisés avec du fil de
cuivre, peuvent être représentés par une résistance montée en série avec une inductance. La
résistance représente la valeur résistive du fil de cuivre, et l'inductance représente la bobine
réalisée avec le fil de cuivre. D'autres exemples peuvent également être rencontrés : ballast
pour tubes fluorescents, transformateurs…etc. Pour étudier le comportement des éléments et
celui du montage complet, nous allons réaliser une expérimentation. Les résultats de cette
expérimentation nous permettrons d'effectuer des constatations sur le comportement du circuit
et des éléments qui le composent.
I) Rappel théorique
a) L’Oscilloscope
L'oscilloscope permet la visualisation d'un signal périodique dans un circuit électrique. Le
signal périodique est produit par un générateur d'ondes qui est branché dans un circuit
électrique. L'oscilloscope visualise le signal de tension aux bornes d'un élément dans le circuit
électrique.
L'onde est visualisée sur un écran cathodique. Un faisceau d'électrons traverse le tube
cathodique et frappe l'écran fluorescent qui produit un point. Une paire de plaques dans le
tube dévie périodiquement le faisceau qui trace alors une ligne horizontale sur l'écran.
Pendant le balayage horizontal, le signal mesuré dans le circuit électrique est amplifié et
appliqué à une autre paire de plaques qui dévie le faisceau verticalement. Lorsque la
fréquence du balayage horizontal est synchronisée avec la fréquence de l'onde périodique, le
signal apparaît à l'écran.
L'oscilloscope permet de visualiser deux signaux à la fois. La différence de phase entre deux
signaux est la distance entre les deux ondes et elle se mesure en degrés. Une onde se reproduit
à chaque 360°, alors la longueur d'une onde sur l'écran cathodique peut servir d'étalon pour
mesurer la différence de phase.
Si la longueur d'une onde est ajustée à (a) cm, dans le cas illustré sur la figure ci-jointe, la
différence de phase mesurée de cette façon se calcule avec :
° 360 ∗
/ où :
φ est la différence de phase (en °),
a est la longueur d'une onde (en cm)
et b est la distance entre deux ondes (en cm).
6
*Courbe de Lissajous :
Lorsque l'oscilloscope est en mode XY, les deux signaux sont appliqués sur deux paires de
plaques perpendiculaires. Le faisceau d'électrons est dévié horizontalement et verticalement
sur l'écran. Pour deux signaux identiques, l'image sur l'écran est une droite. Si les deux
faisceaux ont la même fréquence mais pas la même phase, l'image sur l'écran est une ellipse.
Si la hauteur de l'ellipse est ajustée à a cm, dans le cas illustré sur la figure ci-jointe, la
différence de phase mesurée de cette façon se calcule avec :
° / Où :
φ est la différence de phase (en °),
a est la hauteur de l'ellipse (en cm)
et b est la distance entre les intersections de l'ellipse avec
l'axe vertical passant par le centre de l'ellipse (en cm).
b) Circuits RL en courant alternatif
En courant alternatif, la réactance inductive pour une bobine ce calcul à partir des relations
suivantes.
2
/
/2
Où :
VL est l'amplitude de la tension à la bobine (en V),
IL est l'amplitude du courant à la bobine (en A),
XL est la réactance de la bobine (en Ω),
f est la fréquence du générateur (en Hz)
et L est l'inductance de la bobine (en H).
Pour un circuit RL série, on a :
et
"
! #%
"$
Où :
VG est l'amplitude de la tension au générateur (en V),
VL est l'amplitude de la tension à la bobine (en V),
VR est l'amplitude de la tension à la résistance (en V)
et φ est la retard de phase du courant IG sur la tension VG (en °).
Notons que la tension et le courant dans le générateur sont :
sin 2
sin 2
)
7
C. Puissance électrique en courant sinusoïdal
*Valeur instantanée de la puissance électrique :
Soit une impédance Z, soumise à une tension électrique sinusoïdale V(t) et parcourue par un
courant électrique d’intensité i(t), La puissance électrique instantanée fournie à Z s’écrit
alors:
* .
Dans le cas d’un régime sinusoïdal caractérisé par :
, - .
/ 0
, - .
1 On a :
*
,, - .
- . 1 1/2 , , ! - 2. 1 -
1 ) %
*Puissance moyenne :
Par définition, La valeur moyenne sur une période, de la puissance est :
1 9
6 P t dt
T :
P4
Cette notion n’ayant de sens que pour un régime périodique (période T). Dans le cas
particulier d’un régime sinusoïdal, après intégration nous trouvons :
*,
1/2
, , -
,
En faisant apparaitre les valeurs efficaces
Il vient
*,
-
en Posant :
,/√2 et
1– ,/√2
Pm correspond à la puissance active consommée par Z. Elle désigne la puissance effective liée
à l’énergie électrique qui peut être convertie par le récepteur sous une autre forme d’énergie
(mécanique, calorifique etc..). cos(φ) est appelé le facteur de puissance et le produit V.I
représente la puissance apparente. Tandis que la puissance moyenne est évaluée en watts, la
puissance apparente s’exprime en voltampères (VA).
*Puissance réactive :
Elle est liée, à l’énergie emmagasinée durant un quart de période, dans les selfs et les
condensateurs du récepteur, puis entièrement restituée au réseau au cours de l’autre quart.
C’est une énergie qui n’est donc pas consommée par la charge, elle est définie par :
=
Elle est mesurée en Var (volt-ampère-réactif). Cette puissance est qualifiée ainsi parce que
l’absorption et la restitution de l’énergie sont dues à la réaction d’une self ou d’un
condensateur aux variations du courant.
8
II. MANIPULATION
1) Buts de l’expérience
-Déterminer la résistance et la réactance inductive de la bobine dans des conditions
bien déterminées.
-Déterminer le déphasage entre le courant et la tension
-Influence de la fréquence sur la réactance inductive
-La puissance instantanée et la puissance moyenne
2) Composants et appareils :
- Résistance 20 ohm, Résistance 220 ohm
- Bobine 1800 Tours, Bobine 600 Tours
- Noyau de Transformateur
- Ampèremètre, Voltmètre
- Oscilloscope double trace
- Alimentation en courant continu
- Alimentation en courant alternatif
- Générateur G.B.F
5 Volts
Ampèremètre
L
VL
3) Déroulement de l’expérience :
Voltmètre
Figure N°1
a) Etude de la bobine
a.1) Détermination de la résistance RL et l’impédance |> |
- Réaliser le circuit de la figure N°1
- Appliquer la tension continue à l’entrée du circuit
- Relever les indications du voltmètre et ampèremètre.
-Répéter l’expérience mais en appliquent une tension alternative de 5 volts et fréquence 50Hz
à l’entre du circuit, relever les indications du voltmètre et ampèremètre.
-Porter les résultats dans le tableau suivant :
Courant continu
Courant alternatif
V(V) I(A)
V(V) I(A)
RL(Ω)
|> | (Ω)
Compléter le tableau, comment peut-on expliquer que RL(Ω) ≠ |> | (Ω), malgré l’application
d’une même tension de 5V mais de nature alternative.
a.2) Le déphasage entre la tension et le courant dans une bobine
Construire le circuit de la figure N°2. Appliquer une tension sinusoïdale à l’entre du circuit de
valeur efficace V =
volts et de fréquence 10 kHz.
9
L
r
VL
Voltmètre
Figure N°2
f = 10 kHz
V=
Au point (A), mesurer la tension V(t) aux bornes de la bobine par (Y1) de l’oscilloscope) et
mesurer indirectement le courant I(t) par la mesure de la chute de tension aux bornes de la
résistance de 20 Ω par (Y2 de l’oscilloscope).
Remarque : A la fréquence choisie, la résistance de la bobine peut être négligée.
- Faire un dessin précis à l’échelle du tracé des courbes V(t) et I(t) observé sur l’écran.
D’après les courbes traces déterminer le déphasage entre V et I.
a.3) Influence de la fréquence sur la réactance inductive (Lw)
Réaliser le circuit de la figure N°3
Ampèremètre
VG
L
VL
Voltmètre
Figure N°3
Appliquer aux bornes de la bobine une tension de valeur
VL =
volts et de fréquence 1 kHz.
Changer la fréquence suivant les valeurs données dans le tableau suivant.
f (KHZ)
1
2
4
6
8
10
VL(V)
IL(A)
XL(Ω)
10
Remarque :
1) Si la tension aux bornes de la bobine devait changer durant l’expérience, régler celle-ci
pour la ramener à sa valeur initiale.
2) Pour l’échelle de fréquence choisie, la résistance de la bobine peut être négligée.
*Compléter le tableau et tracer la courbe XL = g(w), interpréter la courbe.
a.4) la puissance instantanée et la puissance moyenne
De l’expérience (a.2) (Phase entre tension et courant), calculer la puissance dissipée pour
t0 = 0, t1 = 5 µs,…………………….., t10 = 100 µs, d’après les valeurs correspondantes de
V(t) et I(t) par la formule P(t) = V(t)* I(t), porter les résultats dans le tableau suivant.
t (µs)
0
5
10
15 ………………………………………..100
V(V)
I(A)
P(w)
- Tracer le graphique de la puissance P = g(t), interpréter la courbe.
- Utiliser la courbe pour trouver la valeur de la puissance moyenne.
b) Le circuit RL série
b.1) Le déphasage entre le courant et la tension dans un circuit RL série
Construire le circuit représenté sur la figure N°4
V
VG
Figure N°4
L
Voltmètre
r
Appliquer une tension sinusoïdale à l’entre du circuit de valeur efficace V =
volts et de
fréquence 10 kHz
Au point (A), mesurer la tension V(t) aux bornes du circuit par (CH1 de l’oscilloscope) et
appliquer une tension sinusoïdale à l’entre du circuit de valeur efficace V =
volts et de
fréquence 10 kHz.
11
Au point (A) mesure la tension V(t) aux bornes du circuit par (Y1) de l’oscilloscope et
mesurer indirectement le courant I(t) par la mesure de la chute de tension aux bornes de la
résistance de 20 Ω par (Y2) de l’oscilloscope).
- Faire un dessin précis à l’échelle du tracé des courbes V(t) et I(t) observé sur l’écran.
D’après les courbes traces déterminer le déphasage entre (V et I) et la valeur efficace de I.
b.2) la puissance instantanée et la puissance moyenne
De l’expérience (b.1) (Phase entre tension et courant), calculer la puissance dissipée pour
t0 = 0, t1 = 5 µs,…………………….., t10 = 100 µs, d’après les valeurs correspondantes de
V(t) et I(t) par la formule P(t) = V(t)* I(t), porter les résultats dans le tableau suivant.
t (µs)
0
5
10
15 ………………………………………..100
V(V)
I(A)
P(w)
*Travail demandé
- Tracer le graphique de la puissance P = g(t), interpréter la courbe.
-Utiliser la courbe pour trouver la valeur de la puissance moyenne.
-Interpréter vos résultats
12
TP N°2 RELEVE OSCILLOSCOPIQUE D’UN CYCLE
D’HYSTERESIS
Objectifs :
Cette manipulation a pour but de se familiariser avec les circuits magnétiques et les grandeurs
non sinusoïdales.
- Concevoir un outil permettant le relevé de la courbe d’hystérésis d’un matériau
ferromagnétique à partir de la mesure de grandeurs électriques.
- Relever les caractéristiques d’un matériau ferromagnétiques à partir de sa courbe
d’hystérésis.
- Mesurer les pertes ferromagnétiques d’un matériau à partir de sa courbe d’hystérésis.
I). REMARQUES PRELIMINAIRES ET RAPPEL THEORIQUE
I.1. Mesure de la courbe d’hystérésis d’un matériau ferromagnétique.
L’induction B d’un matériau magnétique placé dans un champ magnétique dont l’intensité H
varie, présente très souvent un phénomène d’hystérésis. La courbe d’hystérésis d’un
matériau, également appelée caractéristique B(H) permet la lecture directe des principales
propriétés magnétiques du matériau.
Parce que la caractéristique B(H) d’un matériau constitue une information importante pour un
concepteur de dispositifs électromagnétique à la recherche d’un matériau pour une
application, nous allons chercher à construire un dispositif expérimental nous permettant de
déterminer la courbe d’hystérésis d’un matériau magnétique.
Considérons un noyau constitué d’un empilement de tôles. Le relevé de i (t) à l’oscilloscope
nous permet de lire indirectement H(t). Cependant, il est impossible de visualiser B(t) sans
intégrer le signal V(t). Il est donc nécessaire de concevoir un intégrateur de manière à
pouvoir relever B(t) à l’oscilloscope. Voir la figure (1)
n
Y1
┴
r
Y2
Figure (1) Relevé oscilloscopique d’un cycle d’hystérésis
13
En utilisant un tel montage, il est possible de voir la courbe B(H) de l’empilement de tôle.
La visualisation simultanée de i (t) et Vc(t) à l’oscilloscope utilisé en mode XY permet de
relever une image de la courbe d’hystérésis d’un matériau. La courbe B(H) ne s’exprimant pas
dans les mêmes unités que Vc et i, il sera cependant nécessaire d’appliquer certains
coefficients qui seront déterminés dans la partie théorique suivant :
I.2. La tension d’alimentation
Sa valeur efficace détermine l’induction maximale d’après la formule de Boucherot
?
@, @@ ∗ B ∗ C ∗ D ∗ EFGH
La tension V est lue avec un appareil à déviation, on en déduit Bmax.
I.3. Visualisation de l’induction
v(t) et b(t) sont deux fonctions sinusoïdale en quadrature, on obtient une tension sinusoïdale
en phase avec b(t) en retardant v(t) de 90°, c’est le rôle du circuit (ρc) s’il est choisi tel que :
ρcw »1, en effet
L J
O
O
et LN N P I J QJ M P L J ∗ QJ
I J ≈ M
En définitive, la tension 0R
est en phase avec b(t) et son amplitude vaut :
LFGH
LNFGH
MNS
I.4. Visualisation de l’excitation magnétique
Le théorème d’Ampère s’écrit :
B∗T J
U J ∗V
L’allure du courant magnétisant est périodique, non sinusoïdale connaissant la résistance du
shunt(r), et la sensibilité de l’oscilloscope on en déduit imax puis Hmax .
I.5. Cycle d’hystérésis
On passe en position Lissajous, et le cycle apparait sur l’écran de l’oscilloscope. En
augmentant progressivement la tension d’alimentation on provoque la déformation du cycle.
On estime l’air du cycle en centimètres carrés, puis en unités magnétiques, B*H.
La formule donnant les pertes fer s’écrit :
WX
C∗Y∗А
f : fréquence =50 HZ
[: Volume du circuit magnétique
А: Aire du cycle(en j/m3 ou T*A/m)
14
II. PARTIE EXPERIMENTALE
II.1. Matériels :
- 1 Un empilement de tôles
- Source 230Vac + Auto_transfo
- 1 Voltmètre
-1 Ampèremètre
- 1 Oscilloscope
- 2 Résistances variables
- 1 Condensateurs
II.2. Mode opératoire
1) Réaliser le montage de la figure (1). A l’aide de l’autotransformateur, alimenter le
bobinage par une tension V=
2) Relever une image du courant i(t), et une image de tension Vc(t) par les voies de
l’oscilloscope.
3) Placer l’oscilloscope en mode XY.
Augmenter progressivement la tension V. Observer alors la croissance du cycle d’hystérésis
et le phénomène de saturation dans le noyau et tracer le cycle d’hystérésis mesuré.
II.3. Évaluation des pertes par hystérésis d’un noyau de tôles
Lorsqu’on soumet un matériau à un champ magnétique, celui-ci emmagasine de l’énergie
qu’il ne restitue pas complètement après magnétisation, le matériau est le siège de pertes
magnétiques.
- Les pertes par hystérésis sont directement mesurables à partir du cycle d’hystérésis du
matériau et du volume de celui-ci.
-Finalement à partir de cycle d’hystérésis mesuré déterminer les pertes par hystérésis de ce
noyau de tôles.
*Après avoir traite l’expérience interpréter vos résultats.
15
TP N°3 LE TRANSFORMATEUR MONOPHASE
Les objectifs du TP :
-Etude de rapport des tensions
-Etude de rapport des courants
-Détermination des grandeurs caractéristiques du transformateur à vide
-Etude de transformateur en charge (caractéristique courant-tension, Courant-puissance).
I) Rappel théorique
a) Principe du transformateur
Un transformateur est un convertisseur statique (il ne comporte aucune partie mobile)
permettant de transformer une tension sinusoïdale en une autre tension sinusoïdale de valeur
efficace différente (et de même fréquence). Il est constitué d'un circuit magnétique
comportant deux bobinages : le primaire et le secondaire. Le primaire comporte N1 spires
(l’indice 1 désignant par la suite toute les grandeurs au primaire, l'indice 2 les grandeurs au
secondaire), il est alimenté par une tension sinusoïdale, il en résulte un flux sinusoïdal dans le
circuit magnétique. Ce flux induit à son tour la création d'une force électromotrice sinusoïdale
e2 au secondaire (enroulement comportant N2 spires). Cette f.e.m. permet d'alimenter une
charge branchée aux bornes du secondaire.
Le schéma de principe d'un transformateur est donné par la figure suivante :
b) Le transformateur parfait.
L'étude d'un transformateur "parfait", une pure vue de l'esprit, permet de simplifier l'étude du
transformateur réel. Le circuit magnétique d'un transformateur parfait est sans fuites et sans
pertes énergétiques. Il est constitué avec un matériau ferromagnétique de perméabilité infinie
(ℜ= 0) et les bobinages sont sans résistance (r1 = r2 = 0).
Pour un transformateur parfait on obtient :
2/ 1
)]1/]2
16
12/11
)]2/]1
),
Avec : m = N2 / N1 le rapport de transformation du transformateur.
En considérant les valeurs efficaces on peut écrire :
^2/^1
]2/]1
,/ 2/ 1
]1/]2
1/,
Pour m > 1 (m < 1) il s'agit d'un transformateur élévateur (abaisseur) de tension.
c
Le transformateur réel
Pour l'étude du transformateur réel on ne peut plus considérer un circuit magnétique parfait
sans fuites de flux, il va falloir prendre en compte les pertes fer et les flux de fuite au niveau
des enroulements. De même, on ne peut plus négliger les résistances d'enroulement. Le
rapport de transformation pour un transformateur réel il est définie par :
,
]2/]1
^ : /^` Avec : U20 : La tension efficace de secondaire à vide
U1 : La tension efficace du primaire
1. Schéma équivalent du transformateur réel.
Dans un transformateur réel, il faut tenir compte des éléments d’imperfection des bobinages
primaires et secondaires. On distinguera : r1 et r2 les résistances séries des bobinages, L1 et
L2 les inductances de fuites des bobinages, Rf et Lm la résistance équivalente aux pertes fer
et l’inductance magnétisante vue du primaire. Après quelques manipulations et
approximations sur le schéma équivalent complet. On obtient le schéma équivalent du
transformateur réel sur la figure suivante :
Rf
tel que :
Lm
a
ba
2
b2
, . 1
, . b1
De façon similaire on obtient un schéma simplifié avec les impédances ramenées au primaire :
avec :
* 1 2/, b* b1 b2/, 17
2. Schéma simplifié dans le cadre de l'approximation de Kapp.
En considérant I10 << I1 on peut remplacer la bobine fictive magnétisante modélisée par Rf et
Lm par un circuit ouvert sans conséquence sur l'intensité I1.
On a alors le schéma simplifié suivant :
En considérant les impédances ramenées au secondaire. On obtient un schéma similaire en
ramenant les impédances au primaire. La tension au secondaire du transformateur parfait du
modèle (-m.u1) correspond à la tension à vide mesurée sous la même tension primaire
nominale (U20), d’où :
),. ^` ^ : Soit
^
:
a.
cba.. . ^ On obtient le diagramme de Kapp suivant :
Qui conduit à la relation approchée de la chute de tension au secondaire
∆^2 ≅ a 2. 3. Rendement du transformateur :
Avec :
*2
f
2
ba. 2.
2
*2/*1
*1 ) *10 ) * 1
P1 puissance active mesurée au primaire,
P10 puissance active mesurée au primaire lors de l'essai à vide (pertes fer),
Pcu puissance active mesurée au primaire lors de l'essai en CC (pertes joules).
18
II EXPERIMENTATIONS
a) Rapport des tensions
Par la mesure à circuit-ouvert de la tension V2 au secondaire du transformateur, nous
cherchons à déterminer l’influence sur la tension secondaire du nombre de spires des
enroulements et de la tension au primaire.
V
a.1) Réaliser le circuit de la figure N°1.
V1
V
V2
V
N2
Figure N°1
Avec l’utilisation de la bobine N1 au primaire et la bobine N2 au secondaire ensuite appliquer
successivement, au primaire les tensions données dans le tableau ci-dessous, en utilisant
l’alimentation variable. Noter les résultats pour V2 dans le tableau N°1.
V1(V)
V2(V)
Tableau N°1
a.2) Inversé maintenant les bobines et répéter le même travail que dans (a.1).
a.3) Pour chaque résultat obtenu dans (a.1) et (a.2) calculer le rapport des tensions au primaire
V1 et des tensions au secondaire V2, comparer le résultat de ces rapports au rapport du nombre
de tours des bobines N1 et N2.
b) Rapport des courants
Par la mesure du courant I2 de court-circuit au secondaire, étudions l’influence sur celui-ci du
rapport du nombre des spires et du courant primaire.
b.1) Réaliser le circuit de la figure 2
A
V
I1
I2
A
Figure N°2
19
Faire apparaitre les courants primaires I1 successifs donnés dans le tableau N°2 en utilisant
l’alimentation variable.
I1(A)
I2(A)
Tableau N°2
Mesure le courant I2 obtenu au secondaire pour chaque valeur de I1 et noter les résultats dans
le tableau N°2.
NB : Lorsque l’intensité nominale de la bobine est dépassée, la maintenir pendant un temps
aussi court que possible.
b.2) Inverser maintenant les bobines et répéter le même travail que dans (b.1).
b.3) pour chaque valeur obtenue dans (b.1) et (b.2), calculer le rapport du courant I1 primaire
et du courant I2 secondaire. Compare le résultat ainsi obtenu au rapport du nombre de tours
des bobines N2 et N1.
c) Détermination des grandeurs caractéristiques du transformateur à vide
1) Mesurer la résistance de l’enroulement primaire r1 par alimentation en continu, basse
tension, méthode de voltampère métrique.
2) Réaliser le montage de la figure N°3
Figure N°3
3) Relever avec les quatre appareils de mesures V1, I10, P0, V2 pour diverses valeurs de la
tension d’alimentation V1(Les valeurs de V1 doivent être échelonnées de 0 à 1,1*V1n).
V1n : tension nominale primaire. Compléter le tableau suivant N°3.
V1(V) I10(A)
V2(V)
P0(W)
m Pfer=P0-r*(I10)2
I10a=P0/V1
I10m=( (I10)2-( I10a)2)(1/2)
Tableau N°3
20
Travail demandé :
1) Tracer sur la même feuille les courbes :
V1= f (I10a)
V2=f (I10m)
Pertes fer =f ((V1)2), vérifier que cette caractéristique est une droite. En déduire Rf (la
résistance équivalente aux pertes fer) et Lm.
d) Le transformateur en charge (caractéristique courant-tension, Courant-puissance)
Réaliser le circuit de la figure N°4 suivant :
A
V
V
Figure N°4
Augmenter la tension V produit par l’alimentation variable pour obtenir V2 =
au
secondaire lorsque celui-ci est ouvert pour ce faire débrancher l’ampèremètre. Replacer
l’ampèremètre dans le circuit et régler le potentiomètre pour obtenir les différentes valeurs de,
I2 données au tableau N°4.
NB : Lorsque le courant I2 est supérieur à In (le courant nominal de la bobine), faire les
mesures le plus rapidement possible.
I2(A) 0
V2(V)
P2(W)
Tableau N°4
Travail demandé :
-Faire le tracé représentant les tensions V2 en fonction du courant I2.
-Pour chaque valeur de, I2 données au tableau N°4, calculer la puissance P2.
-Tracer la courbe P2 = f(I2).
21
TP N°4
MESURE DE PUISSANCE EN TRIPHASÉ
-But de la manipulation
Le but de cette manipulation est de prendre connaissance des appareils, des méthodes et des
schémas de mesure de la puissance du circuit triphasé, et cela par l’étude d’un récepteur
triphasé équilibré en couplage étoile et triangle. Mesure du facteur de puissance. Mesure des
puissances active et réactive. Relèvement du facteur de puissance. Ainsi que l’étude d’un
système triphasé déséquilibré.
I-Rappel Théorique : Méthodes de mesure de la puissance en triphasé
a) Puissance en triphasé
-Puissance active
On entend par la puissance active P d’un système triphasé la somme arithmétique des
puissances actives des trois phases de charge.
r r
P1 = VI cos ϕ avec ϕ ( I , V )
Pour une phase du récepteur équilibré couplé en étoile
Pour le récepteur complet :
P = 3.P1 = 3VI cosϕ
de plus V =
U
3
r r
Pour une phase du récepteur équilibré couplé en triangle P1 = UJ cosϕ avec ϕ ( J , U )
Pour le récepteur complet :
I
3
P = 3.P1 = 3UI cos ϕ
P = 3.P1 = 3UJ cos ϕ
Pour les deux couplages équilibrés on peut montrer que
de plus J =
-Puissance réactive et puissance apparente
Sans démonstration et par analogie, nous admettons les relations suivantes pour un récepteur
équilibré complet :
Q = 3UI sin ϕ [VAR]
* La puissance réactive (Q) :
S = 3UI
* La puissance apparente (S) :
[VA]
Remarque : Si la charge est déséquilibrée nous calculons les puissances totales par les
relations suivantes :
La puissance active P, avec P = P1 + P2 + P3
La puissance réactive Q, avec Q= Q1 + Q2 + Q3
22
2
La puissance apparente S, avec S =
P +Q
2
- Facteur de puissance : Le facteur de puissance s’exprime par la relation suivante :
k = cosϕ ou k= P/S avec Pet S respectivement la puissance active et la puissance
apparente.
b) Mesure de puissance en triphasé
1-Mesure de la puissance apparente S:
Pour mesurer S, il suffit de mesurer la tension simple ou composé et le courant I traversant
une ligne d’alimentation (on suppose que le système triphasé disponible est équilibré
direct) selon la figure 1.
Figure.1. Mesure de la puissance apparente en triphasé.
2-Mesure de la puissance active P et la puissance réactive Q :
Pour mesurer les puissances active et réactive on fait appel aux wattmètres.(figure.2).
Figure.2 : Mesure des puissances P et Q en ligne triphasée à 4 fils.
23
Dans le cas ou on dispose d’une ligne triphasée à 3fils (trois phases uniquement), on
utilise la méthode des deux wattmètres selon la figure.3, suivante :
Figure.3 : mesure des puissances P et Q en ligne triphasée à 3 fils
*Remarque :
- La méthode des deux wattmètres ne permet de déterminer la puissance réactive que dans le
cas d’un système équilibré en tension et en courant, alors qu’elle fournit la puissance active
dans tous les cas de fonctionnement.
- L’application de cette méthode des deux wattmètres, nécessite de repérer l’ordre de
succession des phases.
24
*Résumé sur la méthode des deux wattmètres
1) Signe de déviations des deux wattmètres
Pour un système à succession directe, voici, le signe des déviations, g` de wattmètre W1 etg
de wattmètre W2 :
hhhhhhi
hhhhi. hhhhhhi
g` hhhi
^ j , en fonction de l’argument φ du récepteur triphasé équilibré.
` . ^`j et g 2) Les conditions d’utilisation ou de non utilisation de la méthode des 2 wattmètres
Équilibré
Déséquilibrés
Montages
P=W1 +W2
Q=√3 W1 - W2)
P=√3. ^. . cos φ
Q=√3. ^. . sin φ
Triangle
Oui
Oui
Oui
Étoile
Oui
Oui
Oui
Étoile avec
neutre
Oui
Oui
Oui
Triangle
Oui
Non
Non
Étoile
Oui
Non
Non
Étoile avec
neutre
Non
Non
Non
S=√3. ^.
25
II - MANIPULATION
II.1-Matériel nécessaire
1-Source de tension triphasée avec neutre accessible (L’alimentation triphasée sera
fournie par l’alimentation variable de la table, les valeurs des tensions composées ou
simple seront données par l’enseignant.
2- Deux Wattmètres
3-Boite de résistances
4-Boite de capacités
5-Boite d’inductances
6-Ampèremètre et Voltmètre
7-Commutateur étoile –triangle
8-Phase mètre
* Remarques :
1-Modifier les montages hors tension (modification des couplages, installation
d’appareils de mesure ...).
2-Veiller à ne pas dépasser les valeurs électriques limites des éléments du montage et des
appareils de mesure en toutes circonstances.
3- Il est strictement interdit de mettre les montages sous tension avant de consulter
l’enseignant.
II.2. Système équilibré avec charge inductive
Nous étudierons une charge triphasée inductive. Cette dernière est constituée d’une charge
résistive avec, en série sur chaque phase, une inductance.
II.2.1. Mode opératoire
1. Montage étoile
1
A
W
L1
Cosφ
V
2
L2
3
L3
N
N
Commutateur
Réaliser le montage de la figure (4), avec la permission de l’enseignant brancher le
montage avec le commutateur en position étoile.
U1
V1
W1
Z1
Z2
Z3
U2
V2
W2
Figure 4. Schéma de montage avec commutateur étoile – triangle
26
1
A
W
L1
Cosφ
V
2
L2
3
L3
N
N
Commutateur
* Mesures :
a) Relier le montage au réseau et fixer la tension à la valeur donnée par l’enseignant ensuite
lire la valeur efficace de l’intensité du courant en ligne, pour chaque phase.
b) Lire l’indication du wattmètre et du phasemètre.
c) Mettre le montage hors tension et modifier le couplage de wattmètre selon la figure ( 5 ),
ensuite relier le montage au réseau et lire la nouvelle indication de wattmètre.
U1
V1
W1
Z1
Z2
Z3
U2
V2
W2
Figure 5. Schéma de montage avec commutateur étoile – triangle
2. Montage triangle
* Mesures :
1
A
2
W2
W1
L1
Cosφ
V
L2
3
L3
N
N
Commutateur
a) Fixer le commutateur à la position triangle dans la figure (6)
U1
V1
W1
Z1
Z2
Z3
U2
V2
W2
Figure 6. Schéma de montage pour la méthode des deux wattmètres
c) Relier le montage au réseau et fixer la tension à la valeur donnée par l’enseignant ensuite
lire la valeur efficace de l’intensité du courant en ligne, pour chaque phase.
e) Lire l’indication des deux wattmètres et du phasemètre.
* Travail demandé :
Pour les deux types de montages précédents :
a) Donner les puissances active P et réactive Q consommées par la charge.
En déduire la puissance apparente.
b) Comparer ces deux puissances aux puissances théoriques.
c) Calculer les pertes par effet Joule et conclure.
d) Reporter les résultats dans un tableau de réponse.
27
II. 3) Relèvement du facteur de puissance
1
A
W
L1
Cosφ
V
2
L2
3
L3
N
N
Commutateur
* Mesures:
a) Refaire le couplage étoile avec la charge inductive triphasée. Intercaler entre l’alimentation
triphasée et la charge triphasée, une charge capacitive triphasée selon la figure(7).
U1
V1
W1
Z1
Z2
Z3
U2
V2
W2
Figure. 7 Schéma de montage
1
2
A
W
L1
Cosφ
V
L2
3
L3
N
N
Commutateur
b) Relier le montage au réseau et mesurer la nouvelle valeur efficace de l’intensité du courant
en ligne et Lire l’indication du wattmètre.
d) Mesurer à l’aide de phasemètre la nouvelle valeur de facteur de puissance.
d) Mettre le montage hors tension et modifier le couplage de wattmètre selon la figure (8),
ensuite relier le montage au réseau et lire la nouvelle indication de wattmètre.
U1
V1
W1
Z1
Z2
Z3
U2
V2
W2
Figure 8. Schéma de montage
*Travail demandé
a) Comparer les mesures du (II.2) et du (II. 3) avec montage étoile en faisant un tableau
comparatif.
b) Que peut-on en conclure ?
28
II.4. Système Triphasé déséquilibré :
A- Système triphasé à 3 fils :
Relier le récepteur de la figure suivante au réseau et fixer la tension à la valeur donnée par
l’enseignant.
*Mesure :
– Mesurer les tensions composées U12, U23, U31., les tensions simples coté charge V'1, V'2, V'3,
et la différence de potentiel entre les deux neutres VN'N puis les courants de lignes.
– Lire l’indication des deux wattmètres, W1 et W2 placés pour mesurer la puissance par la
méthode des deux wattmètres.
*Travail demandé
– Placer sur un diagramme de Fresnel les tensions composées - ou les tensions simples-. A
partir de V'1, V'2, V'3 trouver graphiquement le point N'.
– En déduire la valeur de VN'N.
– Comparer la valeur de VN'N mesurée à celle trouvée d'après le diagramme.
– Placer les intensités sur le diagramme précédant en tenant compte uniquement
des valeurs mesurées. (I1+I2+I3=0 faire attention à la nature des impédances).
– Calculer d'après les valeurs des impédances complexes précédentes, P et Q.
–Déduire la valeur de la puissance P à partir des indications des deux wattmètres.
– Conclure.
29
B- Système triphasé à 4 fils :
Relier le récepteur de la figure suivante au réseau et fixer la tension à la valeur donnée par
l’enseignant.
*Mesure et analyse :
– Mesurer le courant IN.
– Lire les indications des wattmètres placés dans le montage suivant la méthode des deux
wattmètres.
*Travail demandé
– Calculer d'après les valeurs des impédances complexes précédentes, P et Q.
– Conclure.
30
TP N°5 MOTEUR A COURANT CONTINU A EXCITATION SERIE
Les objectifs du TP :
-Relever les principales caractéristiques d’un moteur série fonctionnant sous tension constante
-Déterminer le rendement du moteur pour des points de fonctionnements donnés, dans ce TP,
l’induit et l’inducteur du moteur à courant continu sont associés en série, et alimentés par une
seule alimentation continue.
I. Rappel théorique
1. Conversion d’énergie
Les machines à courant sont des convertisseurs électromécaniques réversibles destinés à
transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique ou inversement.
énergie
électrique
fournie
Moteur
pertes d'énergie
énergie
mécanique
utile
énergie
mécanique
fournie
Génératrice
énergie
électrique
utile
pertes d'énergie
2. Principe et constitution de la machine à courant continu
2.1. Principe
Le principe de la machine à courant continu repose sur l’application de forces de Laplace sur
des conducteurs solidaires du rotor et baignées dans une induction magnétique.
Un champ magnétique B est crée par le stator (soit par des enroulements fixes soit par des
aimants permanents). La machine peut donc fonctionner, selon le phénomène exploité :
a) En moteur (M)
Si l’on fait passer un courant dans la spire placée au rotor en présence du champ B, des forces
F sur les conducteurs sont ainsi créent. Le couple de force F entraîne la mise en rotation du
rotor. Voir la figure suivante.
Mode de fonctionnement en moteur
31
b) En générateur (G)
Si une source extérieure entraine le rotor et exerce un couple moteur qui se traduit, pour les
conducteurs, par une force opposée à la force F, ces conducteurs sont le siège d’une force
électromotrice induite (f.e.m) et par conséquent ils sont parcouru par un courant induit I.
2.1. Constitution
Une machine à courant continu est constituée d'une partie fixe :
- le stator, comportant un nombre pair de pôles sur lesquels des bobinages permettent de créer
un champ d'induction magnétique. Le stator joue le rôle d'inducteur ; et d'une partie mobile :
- le rotor, baigné dans le champ inducteur créé par le stator et qui porte le circuit électrique
siège de l'induction (circuit électrique induit).L’accès à l’enroulement rotorique se fait par un
contact glissant des balais, qui sont fixés au stator, sur une partie tournante appelée collecteur.
La figure suivante présente une vue de principe en coupe d'une machine à courant continu :
Ω
Machine à courant continu en mode générateur
La machine à courant continu représentée est dîtes bipolaire, elle porte deux pôles (il en existe
des tetrapolaires, etc.). Sur chacun de ses pôles on retrouve le bobinage inducteur, parcouru
32
par un même courant d'excitation Ie. Ce bobinage est à l'origine d'un champ d'induction
magnétique B. A noter que le rotor et le stator sont réalisés dans des matériaux
ferromagnétiques. Dans l'entrefer, entre le rotor et les pôles, on considèrera que le champ
d'induction est quasi perpendiculaire au rotor.
Le rotor est de forme cylindrique, il tourne autour de son axe de symétrie selon la direction
indiquée par la flèche portant la vitesse angulaire Ω . Une spire du circuit électrique porté par
le rotor est représentée sur le dessin.
a. Force électromotrice à vide
Nous savons qu’une bobine en mouvement dans un champ magnétique voit apparaître à ses
bornes une force électromotrice (f.é.m.) donnée par la loi de Faraday: Sur ce principe, la
machine à courant continu est le siège d’une f.é.m. E :
p
E=
NΦΩ
2πa
avec:
p : le nombre de paires de pôles
a : le nombre de paires de voies d’enroulement
N : le nombre de conducteurs (ou de brins - deux par spires)
Φ : flux maximum à travers les spires (en Webers - Wb)
Ω : vitesse de rotation (en rad.s-1)
Finalement:
avec K =
E = KΦΩ
p
N
2πa
Si de plus la machine fonctionne à flux constants
E = K' Ω
avec K' = KΦ
b. Couple électromagnétique
Exemple pour une spire
r : les deux brins d’une spire placées
r dans
r
F
F
le champ magnétique B , subissent
des
forces
de
Laplace
et
1
2
r
r
r r
formant un couple de force ( F1 = −F2 = I.l ∧ B ).
Pour une spire : Γ = 2rF = 2rlBI = SBI = ΦI
Couple électromagnétique: Tem = KΦI
en Newtons. Mètres (N.m)
K est la même constante que dans la formule de la f.é.m.: E = KΦΩ
Si de plus la machine fonctionne à flux constant : Tem = K' I
avec
K' = KΦ
33
c. Puissance électromagnétique
Si l’induit présente une f.é.m. E et s’il est parcouru par le courant I, il reçoit une puissance
électromagnétique Pem = E.I
D’après le principe de conservation de l’énergie cette puissance est égale à la puissance
développée par le couple électromagnétique.
Pem = Tem Ω = EI
Remarque : on retrouve la relation Tem = KΦI
En effet E = KΦΩ donc EI = KΦΩI = TemΩ
Pem en watts
d' où
Tem = KΦI
3. Classification :
La machine à courant continue est représentée symboliquement par le schéma suivant :
M
a)Mode moteur
G
b) Mode générateur
Le type de la machine à courant continu dépend du mode de branchement de la partie
inducteur, dans la pratique on distingue les modes suivants :
Excitation séparée : L’inducteur et l’induit sont relies à deux circuits électriques
différentes.
Excitation série : L’inducteur et l’induit sont placés en série.
Excitation shunt : l’inducteur et l’induit sont placés en parallèle.
Excitation compound : L’inducteur est composé de deux enroulements, le premier en
série le second est en parallèle avec l’induit.
4. Moteur à excitation série.
a. Principe
L’inducteur et l’induit sont reliés en série.
Conséquence :
I = Ie
et comme Φ = Cste.I e (hors saturation)
E = KΦΩ = kΩI
2
et Tem = KΦI = kI
34
b. Modèle équivalent
Equation de tension :
U = E + Rt I
Schéma équivalent : Rt = r + R
c. Bilan énergétique
Pem
Pa
=U.I
Pj = R.I2
Pje = r.I2
2
Pjt = Rt.I
d.
Pu =T u.žΩ
=E.I=T em.ž
Ω
Pméca
Pfer
Pc
Sens de rotation
Rappel : pour changer le sens de rotation d’un moteur à courant continu, il faut inverser soit
I, soit Ie. Comme pour le moteur à excitation série I=Ie, pour changer son sens de rotation il
faut inverser la connexion entre l’inducteur et l’induit.
II) EXPERIMENTATIONS
1) Préparation
*Relevé de la plaque signalétique
Relevé sur de la plaque signalétique les grandeurs nominales du moteur en excitation série.
2) Branchement et démarrage du moteur
Placez sur le schéma du montage de la figure 1 les appareils permettant de mesurer U et Ia
aux bornes du moteur. Vous préciserez leurs polarités et leurs positions.
35
Figure 1
*Câblez le montage du schéma précédent.
Appelez le professeur pour la vérification du montage.
Démarrez le moteur en augmentant très progressivement la U. Dès que le moteur commence à
tourner, Vérifiez que toutes les grandeurs indiquées sont positives.
Procédez aux réglages suivants :
-Unité de commande sur 0,3Nm
- Ra sur zéro
Arrêtez le moteur.
Mettez le moteur en service, mesurez le courant de démarrage et la tension d’induit, répétez
l’expérience avec Ra = 108 ohm.
Portez les valeurs mesurées dans le tableau suivant.
Sans démarreur
Avec démarreur
Ra = 108 ohm
Avec charge, T=0,3 Nm
Courant de démarrage, Ia(A)
Tension d’induit, U(V)
Vitesse, n(tr/min)
-
Expliquez la fonction du démarreur à l’aide des valeurs enregistrées.
3) Inversement de sens de rotation
Réalisation :
Réalisez à partir des schémas décomposés des connexions les schémas synthétisés des
connexions pour une marche à droite et à gauche (Figure 2)
36
a)Marche à droite
b) Marche à gauche
Figure 2
a) Câblez la machine à l’aide du schéma synthétisé des connexions pour une marche à droite.
b) Réglez l’alimentation en courant continu sur une tension de 220V, réglez le démarreur sur
la valeur 108 ohm, mettez le moteur en service et réglez l’unité de commande sur un
couple, M = 0,1Nm, contrôlez le sens de rotation.
c) Répétez le même travail avec le schéma de marche à gauche.
d) Tracez les flèches du courant d’induit et du courant d’excitation dans le schéma de
principe. Expliquez l’inversion du sens de rotation.
4) Fonctionnement sous tension constante et charge variable
-Réalisation
a) câblez la machine suivant le schéma de la figure 1. Réglez le démarreur sur la valeur 108
ohm de résistance. Mettez le moteur en service. Réglez l’alimentation en courant continu sur
une tension de 220 V-. Lorsque le moteur a atteint sont plein régime, réglez le démarreur sur 0
ohm.
b) Réglez l’unité de commande sur les couples prescrits dans le tableau, en commençant par
0,05 Nm. Mesurez la vitesse et le courant d’induit. Portez les valeurs mesurées dans le tableau
N°2.
c) Calculez la puissance électrique fournie au moteur
P1 =U.Ia
(U en V, Ia en A, P1 en W).
d) Calculez la puissance mécanique fournie.
P2 = 2π.(T.n/60)
Il en d’école l’équation suivante :
P2 = (T.n/9,55)
(M en Nm, n en tr/min, P2 en W).
η = (P2/P1)
Portez les valeurs calculées dans le tableau N°2
37
Tableau N°2
V(V)
T(Nm)
0,05
N(tr/Min)
I(A)
P1(W)
P2(W)
η(%)
0,1
0,2
0,3
220V
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
-Tracez les caractéristiques en charge à l’aide des valeurs mesurées et calculées.
- Décrivez les caractéristiques et interprétez le comportement du moteur sans charge.
5) Mesures des résistances
-Mesurez par la méthode voltampère métrique, à chaud et à (I = In), la résistance d’induit (R)
et la résistance d’inducteur (r).
-Donnez le schéma et le mode opératoire de la méthode voltampère métrique.
-Pourquoi a-t-on précisé à chaud et à I = In ?
-Pourquoi faut-il, pour la mesure de la résistance d’induit, (caler) le rotor ?
-En observant la caractéristique, n(I) dites pourquoi un moteur série ne doit pas fonctionner
à vide lorsqu’il est alimenté sous tension nominale.
-Calculez la valeur de E en volt, lorsque U= 200V et T=0,5 Nm grâce à la mesure de courant,
Ia et aux valeurs des résistances de l’induit et de l’inducteur.
-Pour ce point de fonctionnement, complétez le tableau ci-dessous (à refaire sur votre compterendu).
I(A)
Pa(W)
Pu(W)
Pe(W)
Pc(W)
Rendement(η)
-Tracez le diagramme des puissances de ce moteur pour ce point de fonctionnement.
38
TP N°6 MOTEUR A COURANT CONTINU
A EXCITATION SHUNT
Les objectifs du TP :
- relever les principales caractéristiques d’un moteur shunt fonctionnant sous tension
constante
- déterminer le rendement du moteur pour des points de fonctionnements donnés, dans ce TP,
l'induit et l'inducteur du moteur à courant continu sont associés suivant la figure1, et alimentés
par une seule alimentation continue.
I) Rappel théorique
1) Machine shunt ou à excitation dérivée
Dans un moteur à excitation en dérivation, le circuit inducteur est branché en parallèle avec
l'induit et, de ce fait, alimenté sous la même tension. Voir la figure suivante :
Schéma équivalent du moteur shunt
En marche normale, on a :
U = E’ + RaIa = KNϕ + RaIa et J = U/(Rh + ra)
Donc : N = (U - RaIa)/ Kϕ , mais généralement, RaIa ≤ U
Si ϕ
0, N
N ≈ U/Kϕ
∞
Alors il est important de signaler le fait suivant : Un moteur shunt dont l’excitation est
coupée s’emballe, (Si J → 0, Ф → 0 et la vitesse tend vers une très grande valeur, donc il y
aurait risque d’emballement du moteur. D’où le moteur shunt s’emballe s’il y a coupure dans
l’enroulement inducteur).
Remarque :
En moteur shunt, le bobinage inducteur doit pouvoir supporter la pleine tension d’induit, et
donc présenter une résistance assez grande.
39
2) Bilan des puissances
Il est important d’identifier les divers éléments du schéma équivalent en termes de puissance.
On représente sur la figure suivante l’écoulement des puissances au sein de la machine, ainsi
que l’expression de rendement correspondant.
Tem.Ω
Pu= Tu.Ω
Avec :
Pa : Puissance absorbée, Pu : Puissance utile, Pem : Puissance électromagnétique
Tem : le moment de couple électromagnétique,
Les Pertes
- Pjd : Pertes par effet joule dans l’inducteur, - Pja : Pertes par effet joule dans l’induit
- Pertes fer+pertes mécaniques dites pertes constantes :
Pc = P0 – R0.Ia02
et P0 = U0. Ia0
*Le rendement
II) EXPERIMENTATIONS
* Préparation
Relevé de la plaque signalétique
Relever sur la plaque signalétique les grandeurs nominales du moteur en excitation shunt.
1. Branchement et démarrage du moteur
Placez sur le schéma du montage les appareils permettant de mesurer Ua(tension d’induit) , Ia
(courant d’induit) et iex (courant d’excitation) . Vous préciserez leurs polarités et leurs
positions.
40
Figure 1
Câblez le montage du schéma précédent.
Appelez le professeur pour vérification du montage.
Démarrez le moteur en augmentant très progressivement la tension U. Dès que le moteur
commence à tourner, vérifiez que toutes les grandeurs indiquées sont positives.
Mettez le moteur en service, procédez aux réglages suivants :
- Unité de commande sur 0,1 Nm
- Régler Ra et Rf sur les valeurs indiqués au tableau N°1
Portez les valeurs mesurées dans le tableau suivant.
Tableau N°1
Ra
16
8
Rf
Couple M (Nm)
750
0,1
750
0,1
Courant de
démarrage, Ia (A)
Tension d’induit,
Ua (V)
Vitesse, n (tr /min)
- Expliquez la fonction du démarreur à l’aide des valeurs enregistrées.
2) Inversement de sens de rotation
Réalisation :
Réalisez à partir des schémas décomposés des connexions les schémas synthétisés des
connexions pour une marche à droite et à gauche.
41
a) Marche à droite :
b) Marche à gauche
a) Câblez la machine à l'aide du schéma synthétisé des connexions pour une marche à droite.
Réglez l’alimentation en courant continu sur une tension de 220V, réglez la valeur de Ra = 8
ohm et Rf = 750 ohm, mettez le moteur en service et réglez l’unité de commande sur un
couple, M = 0,1Nm, contrôlez le sens de rotation.
b) Répétez le même travail avec le schéma de marche à gauche.
c)Tracez les flèches du courant d’induit et du courant d’excitation dans le schéma de principe.
Expliquez l’inversion du sens de rotation.
3) Réglage de la vitesse
a) Câblez la machine suivant le schéma de la figure 1. Mettez le moteur en service. Réglez
l'alimentation en courant continu sur une tension de 220 V- et l’unité de commande sur le
couple 0,1Nm, Réglez les valeurs de Ra et de Rf suivant les valeurs indiquées au tableau N°2,
pour chaque cas mesuré la vitesse de rotation, la tension d’induit et le courant d’excitation.
Porter les résultats dans le tableau N°2
Tableau N°2
Ra (ohm)
Rf (ohm)
16
0
750
0
0
750
16
0
8
375
N (tr/min)
Ua( V)
If(mA)
-Décrivez la fonction de Ra et Rf.
42
4) Fonctionnement sous tension constante et charge variable
-Réalisation
a) Câblez la machine suivant le schéma de la figure 1. Réglez la valeur de Ra = 8 ohm et de
Rf=750 ohm. Mettez le moteur en service. Réglez l'alimentation en courant continu sur une
tension de 220 V-. Lorsque le moteur a atteint sont plein régime, réglez Ra sur 0 ohm et Rf
sur 0 ohm.
b) Réglez l'unité de commande sur les couples prescrits dans le tableau, en commençant par
0.1 Nm. Mesurez la vitesse et le courant d'induit, portez les valeurs dans le tableau N°3.
c)Calculez la puissance électrique fournie au moteur P1 = U.Itot , (U. en V, Itot en A, P1 en
W). Calculez la puissance mécanique fournie.
P2 = 2л.(M.n/60).
Il en découle l'équation suivante:
P2=(M.n/9,55) (M en Nm, n en tr/min , P2 en W).
Calculez le rendement du moteur
η= (P2/P1)
Portez les valeurs calculées dans le tableau N°3
Tableau N°3
V(V)
220V
M (Nm)
0,1
N (tr/Min)
IaA)
Iex(A)
P1(W)
P2(W)
η
-
0,2 0,3
0,4
0,45 0,5
0,55 0,6
0,14
Tracez les caractéristiques en charge à l'aide des valeurs mesurées et calculées.
Interpréter les caractéristiques.
5) Mesures des résistances
Mesurez par la méthode voltampère métrique, à chaud et à I = In, la résistance d’induit(R) et
la résistance d’inducteur(r).
Donnez le schéma et le mode opératoire de la méthode voltampère métrique.
Pourquoi a-t-on précisé « à chaud » et « à I = In » ?
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Pourquoi faut-il, pour la mesure de la résistance d’induit, « caler » le rotor ?
Calculez la valeur de E, lorsque U = 220V et Tu = 0.5 Nm grâce à la mesure de courant, Ia
et à la valeur de résistance de l’induit.
Pour ce point de fonctionnement, complétez le tableau ci-dessous.
Itot (A)
Pa(W)
Pu(W)
Pe(W)
Pc(W)
Rend
-Tracez le diagramme des puissances de ce moteur pour ce point de fonctionnement.
- Interpréter vos résultats
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Bibliographie et Liens
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puissance/ Théorie Applications. Laboratoire. Dunod, 1985, France.
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(Génératrice- Réceptrices – Commande électronique), Eyrolles, Paris, 1981.
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Belin. 1984. France.
[5] Electrotechnique, Bases en courant alternatif. Leybold-Heraeus, 1984, Germany.
[6] Machines à courant continu 1KW (Moteurs/générateurs) EM 10/1 Description des
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[14] Claude Divoux, Moteur à courant continu, 1999,
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http://perso.numericable.fr/~ascoutry/fichiers/methode_redaction_compte-rendu_TP.pdf
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