TP ELectrotechnique Ab [PDF]

Zitiervorschau

Ce manuel des travaux pratiques, est un outil nécessaire pour les étudiants du réseau I.S.E.T, afin de mettre en ouvre leurs connaissances acquises en électrotechnique.

Sommaire

T.P 1: Etude du transformateur monophasé .................................................2 T.P 2: Etude du transformateur triphasé .......................................................6 T.P 3: Etude de la machine à courant continu ............................................. 10 T.P 4: Etude du moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné ..................... 16 TP 5 : Etude de l’alternateur triphasé........................................................... 24 T.P 6: Accrochage de l'alternateur triphasé au réseau................................ 34

T.P : Electrotechnique

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T.P 1 : Etude du transformateur monophasé

T.P 1: Etude du transformateur monophasé

I.Buts Faire les essais à vide, en court-circuit et en charge sur un transformateur monophasé. Prédéterminer un point de fonctionnement en charge. II.Modèles équivalents du transformateur réel 1. Modèle général Intérêt: prédétermination de la chute de tension connaissant la charge Hypothèses :  Circuit magnétique non saturé,  On part d’un transformateur parfait auquel on rajoute toutes les imperfections. I1

R1

jX1

I'2

I2

jX 2

R2

I10

V1

Rf

jX f

E2

 E1

V2

Avec X1 =L1w et X2= L2w (les réactances des fuites du transformateur); et R1 et R2 (les résistances de deux bobines du transformateur). La loi des mailles appliquée au primaire et secondaire donne : V1   E1  R 1 .I1  jX 1 .I1  E 1  Z1 .I1

(1)

V2  E 2  R 2 .I 2  jX 2 .I 2  E 2  Z 2 .I 2

( 2)

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T.P 1 : Etude du transformateur monophasé

2. Modèle de Kapp I1

R1

jL1.ω1

V1

I2

jL 2 .ω 2

R2

V2

E2

 E1

3. Modèle de Kapp vu du secondaire 3.1. Déterminer le modèle vu du secondaire, 3.2. Donner le schéma avec les notations complexes (R1, R2, jwL1, jwL2), R s =m 2 R1 +R 2 : Résistance totale ramené au secondaire

X s =m 2 L1ω+L2ω : Réactance totale de fuite ramenée au secondaire Zs =R s +jXs : Impédance totale ramenée au secondaire

Remarque: On aurait pu tout ramener au primaire. III.Préparations 1. Essai à vide Déterminer 1.1. Le rapport de transformation, 1.2. Les pertes fer, 1.3. Les paramètres Rf et Xf, 1.4. Le courant I10 et Ia donc Ir. 2. Essai encourt circuit Déterminer 2.1.Les pertes joules, 2.2.les paramètres : R s =

P1cc mV1cc , Zs  et en déduire Xs. 2 I2cc I2cc

Précaution V1cc réduit.

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T.P 1 : Etude du transformateur monophasé

3. Détermination de la chute de tension La chute de tension est donnée par: ΔV2 =V20 -V2 =[R s cos(φ 2 )+X s sin(φ 2 ]I2 =Zs I2 cos(φ 2 -φ 2cc )

4. Bilan de puissance 4.1. Etablir le bilan de puissances du transformateur, 4.2. En déduire le rendement du transformateur. P1 : puissance absorbée au primaire, P2 : puissance absorbée par la charge, pf : pertes fer, pj: pertes joules. IV. Travail demandé 1. Essais à puissance réduite 1.1. Essai à vide a. Prévoir le montage permettant de relever V1, V20, I10, P10, b. Tracer la caractéristique V20 = f (I10) pour V1 variant de 0 à 1,2.Vn, c. Tracer la caractéristique P10= f (V102). d. Déduire de ces essais les pertes fer à la tension primaire nominale et le rapport de transformation, 1.2. Essai en Court-circuit a. Prévoir le montage permettant de relever Pj, I2cc, et V1cc pour I2cc variant de 0 à 1,25.I2n, b. Tracer la caractéristique Pj = f (I2cc2) 2. Essaie en charge a. Prévoir le montage permettant de tracer la caractéristique V2=f(I2) à V1=V1n=cte et cos (2) = 1 pour I2 variant de 0 à 1,2.In, b.Déduire de cette courbe le modèle équivalent au transformateur vu du secondaire en précisant la valeur des éléments le constituant.

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T.P 1 : Etude du transformateur monophasé

3. Exploitation des résultats (Détermination du rendement par la méthode des pertes séparées) a. Pour différentes valeurs du courant secondaire, déterminer le rendement et tracer la caractéristique  = f (I2) à cos (2)=1, 4. Prédétermination d’un point de fonctionnement en charge (méthode de Kapp) a. Déduire des essais les éléments Z s, Rs, et Xs du schéma équivalent vu du secondaire, b. A l’aide du diagramme de Kapp, et pour un cos 2=0,8 inductif, déterminer la tension V2 pour I2 = 0,5 I2n, c. Déterminer également le rendement du transformateur? d. Vérifier expérimentalement les valeurs de V2 et  pour I2=0,5I2n et cos( 2 )  0.8 inductif,

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T.P 2 : Etude du transformateur triphasé

T.P 2: Etude du transformateur triphasé

I.Buts Faire les essais à vide et en court-circuit sur un transformateur triphasé. Déterminer son indice horaire. II.Aperçu théorique sur le transformateur triphasé 1. Constitutions et équations magnétiques M

A

B

C

iA

iB

iC

b

c

a

ia

ib

N1

N2

ic K

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T.P 2 : Etude du transformateur triphasé

Un transformateur triphasé peut être obtenu de plusieurs manières différentes :  Assemblages (couplages) de trois transformateurs monophasés, ou bien il est naturellement formé par trois colonnes, dans ce cas on obtient un transformateur à flux forcés ( ΦA+ΦB+ΦC=0 ).  Maintenant si le transformateur est formé par quatre ou cinq colonnes, on parle d’un transformateurs à flux libres ( ΦA+ΦB+ΦC=Φ0 ). On appelle : L : Ligne de champ moyenne des colonnes latérales,  : Ligne de champ moyenne de la colonne centrale.

On définit les réluctances respectivement de la colonne centrale et celui de la colonne latérale par  C 

 L , L  μ 0 .μ r .S μ 0 .μ r .S

2. Equations magnétiques

VM -VK =N1.i A -N 2 .i a - L .Φ A VM -VK =N1.i B -N 2 .i b - L .Φ B VM -VK =N1.iC -N 2 .ic -L .Φ C 3. Couplage, indice horaire et rapports de transformation a. Couplage Généralement les enroulements primaires son couplés en étoile () ou en triangle (D). Alors que les enroulements secondaires sont couplés en étoile (y) ou en triangle (d), ou bien en en zig-zag (z). b.Rapports de transformation On définit le rapport de transformation (m) par phase (colonne) par: m  Alors que le rapport de transformation global industriel est par: M 

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V20 . V1

U20 . U1

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T.P 2 : Etude du transformateur triphasé

c. Indice horaire Considérons la plaque à bornes d’un transformateur triphasé : L’enroulement HT aboutit aux bornes A, B, C. L’enroulement BT aboutit aux bornes a, b, c. A a B

b

C

c

N

n

L’indice horaire caractérise le déphasage () entre les tensions simples (HT et BT) de même 



colonne : θ  (V an , ^ V AN ) : angle positif varie de (0 : 330°). I

θ : Indice horaire. 30 

NB : Le terme indice horaire correspond à l’indication de l’heure sur l’horloge où VAN serait assimilée à l’aiguille des minutes placée sur 12 et Van à l’aiguille des heures placée sur I  Exemples: Couplage U20

U1

M

Angle

Indice

()

horaire

Yy

V20 3

V1 3

Yd

V20

V1 3

Dd

V20

V1

Dy

V20 3

V1

3m

11

π 6

11

Yz

3 V20 2

V1 3

3 m 2

11

π 6

11

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m=

N2 0 N1

0

π 6

1

0

0

3 m 3

m

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T.P 2 : Etude du transformateur triphasé

III.Travail demandé 1. Essais à puissance réduite 1.1.Essai à vide a. Prévoir le montage pour cet essai, b. Mesurer les valeurs de U1n, U20, I10 et P10 , c. En déduire le rapport (m), le facteur de puissance à vide et les éléments (Rf, Xf).

1.2. Essai en court-circuit a. Prévoir le montage pour cet essai, b. Mesurer les valeurs de U1cc, I2cc et P1cc , c. En déduire les éléments (Rs, Xs),

2. Détermination de l’indice horaire

BT/HT

V

a

A

b

B

c

V

C

a. Mesurer les tensions (Uab, Ubc, Uca) et les tensions mixtes (UaB, UbB, UcB, UaC, UbC, UcC), b. Tracer le triangle de sommet (a, b et c), c. Tracer les arcs de cercles de centre respectivement (a, b et c) et de rayons (UaB, UbB, UcB), d. Déterminer le point b,   e. En déduire l’indice horaire I  θ avec θ  (UaB, ^ UAB) . 30 

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T.P 3 : Etude de la machine a courant continu

T.P 3: Etude de la machine à courant continu

I. Rappels sur le principe de fonctionnement de la machine 1.Constitutions 13 12 11

7

6

10

5 4 3

9 8

2 1

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T.P 3 : Etude de la machine a courant continu

1 : Socle (support) ; 2 : Epanouissement polaire ; 3 : Conducteurs de l’inducteur ; 4 : Entrefer ; 5 : Axe de la machine (axe transversal) ; 6 : Noyau polaire ; 7 : Conducteurs de l’induit ; 8 : Rotor (induit) ; 9 : Stator (inducteur) ; 10 : Balais ; 11 : Encoche et dent ; 12 : Carcasse ; 13 : Ligne neutre (Ln) ;

La machine à courant continu est convertisseur rotatif d’énergie mécanique, elle formée par deux circuit électriques : Induit (rotor) et inducteur (stator), séparé par un entrefer, et le redresseur mécanique (balais -collecteur).  L’inducteur est alimenté généralement par un courant continu (Ie), il crée donc un flux

magnétique constant dans l’entrefer.  L’induit c’est la partie tournante, il génère ou absorbe de l’énergie électrique sous forme d’un

courant continu (I).  L’ensemble collecteur balais, permet de redresser les fems alternatives.

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T.P 3 : Etude de la machine a courant continu

2.Principe de fonctionnement 2.1.Fonctionnement moteur Le fonctionnement de la machine en moteur est basé sur la loi de Laplace, le couple moteur est né suite à l’interaction de deux champs magnétique crées respectivement par le stator et le rotor. Explication : Lorsqu’un conducteur, plongé dans un champ magnétique, est traversé par un courant continu, ce conducteur se met en mouvement sous l’action d’une force dite force de Laplace 





telle que dF  I.d l  B : * Direction : perpendiculaire au plan formé par le conducteur et le champ magnétique. * Sens : donné par la règle des 3 doigts de la main droite. * Intensité : F = B.I.l (lorsque le champ est perpendiculaire au conducteur) I

Ie

Ue

inducteour (stator)

U

M

  2.π.n

induit (rotor)

2.2.Fonctionnement générateur Le fonctionnement de la machine en générateur est basé sur la loi de Faraday, la variation du champ magnétique (flux) crée par l’inducteur, à travers les conducteurs de l’induit, donne naissance à une f.é.m. (tension). Explication : Si maintenant un enroulement (portant Nconducteurs) se déplacant dans un champ magnétique à une vitesse (n), il apparaît à ces bornes une f.e.m d’auto-induction (cette fem induite s’oppose à la cause qu’elle a donnée sa nauissance) de valeur : e   N

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dΦ dt

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T.P 3 : Etude de la machine a courant continu

I

Ie

Ue

U

G

inducteour (stator)

Te

induit (rotor)

3.Relations fondamentales  Modèles de la machine: La différence entre les équations électriques en fonctionnement moteur et en fonctionnement générateur, réside au niveau de signe prés de courant. I I R R

U

L

dI U  RI  L  E dt

U  E  RI

U

E

E

Modèleen régimepermanent

Modèleen régimedynamique P a

 Expressions de la f.é.m. et de la vitesse : E  .N.n.Φ  k.Φ. ; Ω 

U  R.I . k.Φ

 Expressions de la puissance et couple électromagnétiques : Pe  E.I  k.Φ..I ; Te 

Pe  k.Φ.I 

 Expression l’équation mécanique en mouvement : Te  Tr  f.Ω  J.

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dΩ . dt

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T.P 3 : Etude de la machine a courant continu

II. Etude de la génératrice à excitation indépendante 1.Objectifs Etudier les caractéristiques à vide et en charge d’une génératrice à courant continu à excitation séparée. 2.Mesure des résistances de la machine a. Relever les valeurs nominales inscrites sur la plaque signalétique de la machine, b. Mesurer les valeurs des résistances de l’induit(R) et l’inducteur (Re). 3.Mesure des résistances de la machine a. Relever les valeurs nominales inscrites sur la plaque signalétique de la machine, b. Mesurer les valeurs des résistances de l’induit(R) et l’inducteur (Re). 4.Essai à vide de la génératrice Ie A Rh G

V

Ev

Ue

 Me

a. Réaliser le montage de la figure ci-dessus et régler la vitesse de rotation du moteur Me à 1500 tr/min, b. Relever et tracer la caractéristique à vide Ev = f (Ie).

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T.P 3 : Etude de la machine a courant continu

5.Essai en charge de la génératrice

A

I

Ie

A

Rh

G

V U Charge

Ue



Me

a. Réaliser le montage de la figure ci-dessus et régler la vitesse du moteur Me à 1500tr/min, b. Régler le courant d’excitation de la génératrice à sa valeur nominale Ien, c. Relever et tracer la caractéristique U= f (I) en variant Rch, d. Conclure.

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

T.P 4: Etude du moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné

1. Buts Etude du moteur asynchrone triphasé en régime sinusoïdal par le modèle linéaire. Cette étude comprend :  L’identification des paramètres (à partir des essais à puissance réduite : essai à vide, essai au synchronisme, essai à rotor calé...).  Essai en charge et relevé des caractéristiques du moteur. 2. Constitution Le moteur asynchrone comprend:  Un Stator : partie fixe, armature portant un bobinage triphasé alimenté par un système équilibré de tensions à la fréquence ws.  Un rotor : partie mobile, constitue le " secondaire" de la machine et il n’est connecté à aucune source d’énergie. On distingue : - Rotor à cage d’écureuil (en court-circuit). - Rotor bobiné.

3. Principe Si on alimente le circuit statorique (primaire) par un système des tensions triphasées équilibrées de fréquence fs ou (ws), on obtient un champ magnétique tournant à la vitesse synchrone ( Ωs 

ws ). p

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

Ce flux balayant le circuit rotorique y induit des f.é.m., ce dernier étant en court-circuit, les f.é.m. y produisent des courants. Du fait de la loi de Lenz, les courants rotoriques induits vont s’opposer par leurs effets (qui est ici le couple) à la cause qui a leur donné naissance (qui est la rotation relative du champ tournant par rapport au rotor) en entraînant le rotor en rotation dans le sens du champ tournant. On définit le paramètre glissement qui caractérise la diminution relative de vitesse du rotor par : g 

Ωs  Ω ws  wm wr   Ωs ws ws

En régime sinusoïdal, toutes les grandeurs rotoriques (courants, flux) sont à la fréquence fr  gfs . Condition électrique de synchronisme : ws=wm+wr Condition mécanique de synchronisme : Ωs  Ωm  Ωr Avec fr : fréquence des courants rotoriques, ws : pulsation des courants statoriques, wr : pulsation des courants rotoriques, wm : vitesse électrique du rotor. 4. Bilan des puissances actives en fonctionnement moteur  La puissance active absorbée par le moteur est : Pa  3VsIscos(s) .  Les pertes ferromagnétiques au stator, sont mesurées lors d’un essai à vide: pfs  pjs0  3VsIs0cos(s0) .

 Les pertes par effet joules statoriques sont définies par : pjs  3Rs Is2  On appelle puissance transmise au rotor (puissance électromagnétique), l’expression définie par Pe  Pa  pfs  pjs .  Les pertes par ferromagnétiques au rotor sont négligeables car elles sont liées à la fréquence du rotor.

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

 Les pertes par effet joules rotoriques sont définies par : pjr  3Rr I r2  Les pertes mécaniques pméc sont généralement d’origines frottements.  On appelle puissance mécanique sur l’arbre (puissance utile), l’expression définie par Pu  Pe  pfs  pjs  p m .

 Bilan de puissances: pfr

pfs

Pa

Pe

pjs

Pu

pjr

pméc

A partir du bilan des puissances actives en fonctionnement moteur, on peut définir le rendement de la machine :  En fonctionnement moteur : η M 

Pu (1  g)(Pa  pfs  pjs)  pméc  Pa Pa

 En fonctionnement moteur : η G 

Pu Pa  Pa (1  g)(Pa  pfs  pjs )  pméc

5. Modèles du moteur asynchrone en régime sinusoïdale La description de la machine asynchrone par un modèle permet d’estimer le couple électromagnétique développé et de montrer comment varie la vitesse et le courant absorbé en fonction du couple demandé. Hypothèses : Saturation négligée, répartition sinusoïdale du flux.

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

 Modèle 1 Le schéma équivalent d’une phase statorique et d’une phase rotoriques est donné par :

Is

jlsws

Rs

jlrwr

mIr

m

Is0 jXf Es

Rf

Vs

Ir Rr

Er

La f.é.m. et la pulsation du rotor sont données respectivement par les expressions suivantes : Er  mgEs , wr  gws

Si de plus on considère l’approximation suivante est vraie (Is>>Is0), le schéma précédent vu coté stator à la pulsation (ws) devient:

Rs

Is

jXp

I' r

Is0 Vs

Rf

R' r g

jXf

Avec Rs : Résistance d’une phase statorique, Rf : Résistance due aux pertes fer, Xf : Réactance magnétisante du circuit magnétique, Xp  Xs  m 2 .Xr  Xs  X' r : Réactance de fuites d’une phase du stator et du rotor vue coté stator, R' r Rr  : Résistance dune phase du circuit rotorique ramenée coté statorique. g m 2g

 Modèle 2 : Les équations d’une phase (statorique et rotorique) dans un repère de Park tournant à la vitesse (wa) sont : ds   v s  R s i s  dt  jw a  s   0  R r i r  d  r  j(w a  w m )  r  dt

Avec wm : pulsation mécanique.

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

Les équations précédentes dans un repère synchrone (lié au champ tournant) deviennent:

 vs  Rs i s  jws s   0  Rr i r  j(ws  wm) r Sachant que les équations des flux s’écrivent :  s  LsIs  MIr   r  LrIr  MIs

On obtient V s  Rs Is  jLsws I s  jMw s I r  Rr  0  g Ir  jLrws Ir  jMw s Is 

En introduisant le courant rotorique ramené au stator ( I' r  m I r ) et le courant magnétisant absorbé par le moteur à vide ( Is0  Is  I' r ), le système précèdent devient : M M   Vs  Rs Is  jws(Ls  m )Is  jws m Is0   M Rr Lr M  jws Is0  I' r  jws(  )I' r 2 m gm m2 m 

On dénote les expressions par : ls  Ls 

l' r 

M : Inductance cyclique de fuites du stator, m

Lr M : Inductance cyclique de fuites d’une phase rotorique ramenée au stator,  2 m m

Xf  ws R' r 

M m

: Réactance magnétisante,

Rr : Résistance d’une phase rotorique ramenée au stator, m2

On obtient finalement Vs  RsIs  jlswsIs  jXfwsIs0  R' r   jXfwsIs0  g I' r  jl' rwsI' r 

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

Ces équations traduisent le schéma monophasé équivalent d’un moteur asynchrone ramené au stator, sera corrigé par une résistance due aux pertes fer:

Is

jlsws

Rs

I' r

Is0 jl' rws

Rf

Vs

jXf

R' r g

 Modèle 3 Si on considère que l’impédance du circuit statorique est négligeable, le schéma équivalent précédent devient :

6. Expressions et caractéristique du couple Te

Is

I' r Is0

Vs

Rf

jX' r

jXf R' r g

A partir du schéma équivalent du circuit précédant, on peut définir plusieurs expressions du couple électromagnétique :

F1 :

F2 :

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R' r g Pe Te  ( ) 2 Ωs Ωs R' r ( )  (X' r) 2 g 3 Vs 2

R' r Vs 2 wr Te  3p( ) 2 ws R' r ( )  (l' r) 2 wr

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

Avec X' r  l' rws Le couple électromagnétique maximum est obtenu pour un glissement optimum : g k 

F3 :

Temax  3p

R 'r X 'r

Vs 2 1 ws 2X' r

On voit que le couple maximum est indépendant de la résistance du circuit rotorique. Le couple électromagnétique peut être exprimé en fonction du couple maximum, on obtient alors : F4 :

Te 

2.Temax gk g  g gk

Le couple de démarrage (g=1) F5 :

Ted  (

3 Vs 2 R' r ) 2 Ωs (R' r)  (X' r) 2

 Caractéristique normalisée du couple Te (g) : 1 0.8 Moteur 0.6

Te/Temax

0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 Génératrice

-0.8 -1 -4

T.P : Electrotechnique

-3

-2

-1

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0 g/gk

1

2

3

4

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T.P 4 : Etude du moteur asynchrone triphasé

7. Travail demandé 7.1.Essais à puissances réduites 7.1.1. Essai à vide a. Prévoir le montage pour cet essai ? b. En déduire le facteur de puissance 10, les pertes fer et les éléments (Rf, Xf). 7.1.2. Essai en courant continu a. Prévoir le montage pour cet essai ? b. Mesurer les valeurs de Rs, Rr ? 7.1.3. Essai a rotor calé a. Prévoir le montage pour cet essai ? b. En déduire les valeurs de réactance Xs et X’r ? 7.2. Essais en charge

T.P : Electrotechnique

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T.P 5 : Etude de l’alternateur triphasé

TP 5 : Etude de l’alternateur triphasé

1. But Relevé les caractéristiques internes de l’alternateur: Essai à vide E v=f(Ie) à n=nN, Essai en court circuit Icc=f(Ie)à n= nN. π 2

Relevé de la caractéristique en déwatté :V=f(Ie) à n= nN , I=IN et φ=± . Relevé de la caractéristique de charge : V=f(I) à n= n, I=IeN et φ= cte. Construction des diagrammes, de Behneschenburg et de Potier Conclure. 2. Principe de fonctionnement de l’alternateur Elle est basée sur la loi de Faraday, la rotation du flux crée par le rotor (champ tournant), va découper les enroulements statoriques; ces derniers vont créer à leurs tours un champ tournant statorique de même nombre de pôles que le rotor, qui va s’ajouter au flux du rotor pour donner naissance à des f.é.m. statoriques sinusoïdales d’amplitudes (E) et de fréquence (f) : E=K p .N.f.Φ f=p.n

3. Tracé des caractéristiques internes de l’alternateur 3.1. Préparation  Relever les indications de la plaque signalétique de la machine synchrone,  Relever les indications de la plaque signalétique du moteur d’entraînement,

T.P : Electrotechnique

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T.P 5 : Etude de l’alternateur triphasé

 L’alternateur étudié sera entraîné, à sa vitesse nominale (n=n N) par un moteur à courant continu à excitation shunt, comme l’indique la figure suivante:

L



E

M

Im A

A Stator

U2

V

Um

GS 3~

M

n  nN

V2 W2

Rh Roue polaire

Ie



Ue

Alternateur Moteur d'entrainement

3.2. Essai à vide Lorsque le rotor «roue polaire» tourne à vitesse constante (n=nN), la valeur efficace E v de la f.é.m. à vide induite dans un enroulement peut s’écrie: E v  k p .N.p.n.  k'.Φ Dans ces conditions, la f.é.m. Ev ne dépend que de flux maximal, lui-même lié à l’intensité Ie du courant d’excitation. Donc pour obtenir la caractéristique moyenne à vide Ev = f(Ie), l’alternateur est entraîné à vitesse constante (n = nN), on fait varier le courant d’excitation Ie dans la roue polaire dans les deux sens (Ie croissant et Ie décroissant), pour débarrasser du phénomène d’hystérésis et en relève son correspondant en f.é.m. Ev

T.P : Electrotechnique

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T.P 5 : Etude de l’alternateur triphasé

Questions : Câbler le montage et relever la caractéristique à vide Ev = f(Ie).

M

Moteur d' entrainement

n  nN Ie



U2

A Rh

Ue

 Roue polaire

N

V2

Stator

W2 V

Ev

n=nN = 1500 tr/min Ie (A) EV (v) Croissant ()

T.P : Electrotechnique

Décroissant ()

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T.P 5 : Etude de l’alternateur triphasé

3.3. Essai en court circuit Questions: Câbler le montage suivant : Moteur

M

n  nN

Ie



d' entrainement

U2

A Rh

I cc

V2

N

Ue

A

W2

 Roue polaire

Stator

Relever la caractéristique Icc =f (Ie) à n=nN pour Icc allant de 0 à 1,2IN.

n=nN = 1500tr/min Ie (A) Icc (A)

4. Essai en déwatté Sur une charge purement inductive, il s’agit de tracer la caractéristique

V=f(Ie), tout en

maintenant la fréquence de rotation nominale constante (n=nN), le courant nominal dans la charge constant ( I=IN) pour un déphasage = /2.

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T.P 5 : Etude de l’alternateur triphasé

Questions : Câbler le montage suivant :

M

n  nN

Ie



Moteur d' entraineme nt

U2

A Rh

A Charge 3 ~

Ue

V2

N



π 2

W2

 Roue polaire

Stator V Ev

Relever la caractéristique d’un enroulement statique V = f (Ie) à n=nN, I=IN et  =  /2. Ie (A) V (V)

5. Essai en charge L’alternateur est entraîné à la fréquence de rotation nominale (n=nN), on règle le courant d’excitation dans la roue polaire à sa valeur nominal (Ie=IeN), pour une charge triphasée de facteur de puissance constante (cos (φ) = Cte), il s’agit de faire varier le courant dans la charge et on note la valeur de la tension à ses bornes.

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T.P 5 : Etude de l’alternateur triphasé

Questions: Câbler le montage suivant : Moteur

M

d' entraineme nt

n  nN

Ie



U2

A

A

Rh Ue

Charge 3 ~

V2

N

cos( ) W2

 Roue polaire

Stator V Ev

Relever et tracer les caractéristiques en charge suivantes, sur le même plan.  Charge resistive: n= nN =1500 tr/min, Ie = IeN, cos( )  1 .  Charge à caractère inductif : n=nN =1500 tr/min, Ie=IeN, cos( )  0.8 .  Charge à caractère capacitif : n=nN = 1500 tr/min, I e= IeN, cos( )  0.6 . 6. Exploitation des essais précédents 6.1. Alternateur à pôles lisses et circuit magnétique non saturé L’alternateur à pôles lisses non saturé est modélisé par le schéma électrique d’une phase statorique. jX s

E ch

Ev

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Rs

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I

V

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 Reactance synchrone (Xs) : A partir l’essai avide et de l’essai en court- circuit, on peut déterminer la réactance synchrone (Xs), il suffit de tracer les deux allures sur le même plan, en exploitant la partie linière. Ev ( I e )

Evcc

I cc ( I e ) C

I cc B A

I ecc

E vcc I cc

dE vcc  ( dt ) dI cc dt



En court-circuit on obtient : E vcc  (Rs  jXs)I cc Soit



Le courant de court circuit est indépendant de la vitesse d’entraînement (n), si le flux est constant : Icc 



X s  Zs 

Evcc K p .N.p.n.  k. Xs 2. .p.n.Ls

Diagramme de Behneschenburg d’une phase statorique: Ie Ev

90 θ

X s .I

V

R s .I

φ I

E v =V+R s I+jX s I

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 Connaissant (V, I, φ) : Ce diagramme nous permet de déterminer graphiquement la f.é.m. à vide (E v) et d’en déduire le courant d’excitation (Ie), à partir de l’essai à vide. Questions: 1. Tracer les caractéristiques à vide et en court-circuit sur le même plan. 2. En déduire réactance synchrone (Xs). 3. Mesurer la résistance R d’une phase statorique à l’aide d’un ohmmètre. 4. Prédéterminer la caractéristique en charge pour les différents facteurs de puissance suivants (0.8AR et 0.8AV). 6.1. Alternateur saturé à pôles lisses : Il s’applique pour les machines synchrones à entre fer constant (à pôles lisses) et à circuit magnétique saturé (courant d’excitation important). Il tient compte de la réaction magnétique d’induit, pour définir un coefficient d’équivalence (α) des courants statoriques qui vont s’ajouter, pour créer la f.é.m. à vide (Ev.).

j.λ.w

Ie

α.I

Rs

I

Ie r

Ue

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Er

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V

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 Diagramme de Potier : Ev

 .I Er

Ie

Ier

E r =V+R s . I+jλ.w. I

V

Ier = Ie +α. I

λwI

φ Rs I

I

 Eléments du Potier A partir des essais à vide, en charge, en court-circuit et un point de la caractéristique en déwatté, on peut déterminer les paramètres ( et).

Ev (V ) M

Er

.w.I d Vd

A

B

C

 .I d I e ( A) 0

Id

 On trace la caractéristique à vide Ev (Ie),  On place le point C mesuré en déwatté (Vd, Id) pour un courant donné Id,  On pointe le point A tel que: AC=Icc qui correspond à Id (obtenu à partir de la caractéristique en court-circuit),

T.P : Electrotechnique

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T.P 5 : Etude de l’alternateur triphasé



Du point A, on mène la parallèle à la partie linéaire de la caractéristique à vide qui la coupe au point M. On obtient donc : MB=λwId  λw= BC=αId  α=

MB Id

BC Id

Questions: 5. Tracer la caractéristique à vide et un point de la caractéristique en déwatté qui correspond au point nominal. 6. En déduire les éléments de Potier. 7. Prédéterminer la caractéristique en charge pour les différents facteurs de puissance suivants (0.8AR et 0.8AV).

T.P : Electrotechnique

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T.P 6 : Etude de l’alternateur triphasé

T.P 6: Accrochage de l'alternateur triphasé au réseau

I. But : Accrocher l’alternateur triphasé au réseau triphasé 380V-50Hz, Tracer la caractéristique de Mordey I = f(Ie), pour une puissance de charge constante et pour différentes charges (R, L, C). II. Alternateur couplé sur le réseau : 1. Réseau puissant: Un réseau est dit puissant, lorsqu’il impose sa valeur efficace ainsi que sa fréquence, quel que soit le type de charge qui est lui connecté. 2. Condition de couplage: Le réseau dispose d’un système de tensions triphasées sinusoïdales (vR, vS, vT); Alors que la génératrice fournie aussi un système de tension triphasé sinusoïdale (v1, v2, v3),  Au moment du couplage: Il faut que deux tensions homologues possèdent la même fréquence et la même tension efficace, alors que leur décalage angulaire doit être nul. En effet on a :  Coté réseau v R  V. 2 .sin(2.f.t) .  Coté alternateur v1  V'. 2 .sin(2..f.t  β) .  V = V', f = f’ et  = 0.

T.P : Electrotechnique

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T.P 6 : Etude de l’alternateur triphasé

vR



Ie

v1

G.S 3 ~

Ue

v3 vT

v1

vS

v2

vT

v3

Reseau 3 ~

s

vS

v2

vR

Me

3.Manœuvre de couplage  Réaliser le schéma de montage de la figure ci-dessous.

K

vR

Rh

v1

A

Ie

A

V V

Ue

V' V

G.S 3 ~

s Me

L3 L2 L1

 Mode opératoire : Egalité des fréquences: Mise en vitesse et réglage par action sur le courant d’excitation du moteur d’entraînement (Me ), ns = 1500 tr/min. Egalité des tensions: se fait par action sur l’excitation du rotor (roue polaire) tel que V=V’. Concordance, ordre de successions des phases: à l’aide des dispositifs de contrôle à lampe électrique, (synchroscope, synchrone-coupleurs automatiques). Couplage: à l’excitation des lampes à feux « battantes » le couplage est correct si l’ampèremètre de la (GS3) ne dévit pas; c’est le fonctionnement au synchronisme en marche à vide.

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T.P 6 : Etude de l’alternateur triphasé

III. Fonctionnement après couplage La vitesse de synchronisme de la machine couplée au réseau reste rigoureusement constante car elle est imposée par la fréquence du réseau, et cela même si l’on intervient sur le courant d’excitation du moteur d’entraînement. 1.Fonctionnement à vide Au synchronisme en marche à vide, après couplage sur le réseau, la machine synchrone ne reçoit et ne fournit aucune puissance. Le couple utile du moteur d’entraînement (Me) est presque nul (si on néglige les pertes à vide), Du fait de la réversibilité de la machine synchrone, on peut obtenir deux types de fonctionnement. 2.Fonctionnement en charge de la génératrice synchrone Elle fournit de l’énergie au réseau : En charge active: On règle la puissance utile du moteur d’entraînement par action sur son courant d’excitation (sa tension d’alimentation), on obtient un réglage de la puissance active de la génératrice synchrone, donc le courant Ia (active) varie mais le courant Ir (réactive) reste constant. Remarque : si le courant d’excitation du moteur d’entraînement diminue ( la vitesse reste constante puisqu’elle est imposée par le réseau ); ce qui provoque une augmentation du son courant actif Ia de l’alternateur. En charge réactive: On règle le courant d’excitation dans la roue polaire de l’alternateur, on obtient donc un réglage de la puissance et du courant réactif, mais à puissance et courant actif, constants. Le fonctionnement est stable quand la machine et surexcité (pour les faibles courants d’excitations, risque d’emballement du moteur (Me). 3.Fonctionnement en moteur synchrone Si l’excitation de moteur d’entraînement augmente, on a donc sa f.é.m. augmente alors que son courant s’annule et change de signe, donc changement de sens et transfert de l’énergie du réseau alternatif au réseau contenu. On débranche le moteur d’entraînement de sa source d’alimentation contenue.

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T.P 6 : Etude de l’alternateur triphasé

 Mise en équations: Le moteur synchrone peut être modélisé par le schéma équivalant d’une phase statorique: jX s

I

V

Ev

L’équation de ce circuit est : ( V  E  jXs. I ).  Diagramme et courbes de Mordey : I  0

Q

V Ev

X s .I

P  C te

 0

I

P

On voit d’après ce diagramme qu’il y a échange d’énergie réactive entre le moteur et le réseau. Pour une puissance utile constante (donc pour une puissance active constante donc aussi pour un courant actif constant ou couple constant). On sait que : P=3√3UIcosφ=√3UIa= TeΩs =η. Pu Ie

U2



MS 3~

Ue

V2

A Charge 3 ~ cos()

W2

 s P  C te Charge

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T.P 6 : Etude de l’alternateur triphasé

Pour un courant de charge I, le moteur peut soit fournir ou recevoir l’énergie réactive (Q>0 ou Q