TP5 : ALTERNATEUR SYNCHRONE TRIPHASE

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1 TP5 : ALTRNATUR SYNCHRON TRPHAS NTRODUCTON Dans ls grands cntrals d production d l'énrgi élctriqu, d typ thrmiqu utilisant ds combustibls fossils (charbon, hydrocarburs, uranium), ou d typ hydrauliqu («houill blanch»), ds génératurs, applés alors altrnaturs, y produisnt d l élctricité sous form altrnati. La puissanc unitair d cs groups st considérabl, cll ds drnièrs unités n sric attignant n Franc mégawatts. L résau altrnatif industril fournit l énrgi élctriqu principalmnt sous ds tnsions sinusoïdals d fréqunc t d amplitud fixs (50 Hz-220 V pour l particulir). La distribution élctriqu D ptits altrnaturs ( ntr 500W t 1,5 kw) sont aussi mbarqués sur ls automobils, afin d rchargr ls battris d'aumulaturs à trars ds ponts rdrssurs à diods. C'st c typ d'altrnatur qu nous allons étudir dans la présnt manipulation (Figur 1). Figur 1 : Altrnatur d'automobil (6 pairs d pôls, 220W/Kg, tr/mn max) 1

2 nfin, cs machins sont rérsibls t punt fonctionnr n moturs : on ls rncontr par xmpl dans la traction frroiair ou sur crtains éhiculs automobil élctriqus. Afin d pouoir fonctionnr à itss ariabl sans "décrochr", ils sont alors alimntés par ds ondulurs à transistors t l'nsmbl st géré par un systèm d command n boucl frmé. OBJCTFS D LA MANPULATON Ctt manipulation consist à étudir un machin synchron triphasé fonctionnant n génératric. ll sra donc ntraîné par un motur, n l ourrnc un motur à courant continu t aimants prmannts. L'objctif principal d la manipulation st d modélisr l'altrnatur n régim prmannt par un schéma élctriqu (simpl) équialnt, du typ schéma d Thénin. A l'issu d la manipulation, (t après consultation du cours), l'étudiant doit saoir abordr ou traitr ls points suiants : - comprndr qualitatimnt l fonctionnmnt d un altrnatur, - tracr ss caractéristiqus à id t n court-circuit, t déduir ls paramètrs du modèl élctriqu, - décrir un point d fonctionnmnt sur charg résisti par un diagramm d Frsnl (diagramm d Bhn-schnburg ou d la réactanc synchron). PRÉCAUTONS T RCOMMANDATONS l st impératif : - d fair érifir l montag à chaqu modification d câblag, - d prndr soin d n pas dépassr 8A d courant absorbé par l motur à courant continu, 10A d courant fficac pour l courant dans un nroulmnt d phas d l'altrnatur t 3A pour son courant d'xcitation. MATÉRLS MS à DSPOSTON L matéril mis à disposition st constitué : - d un banc composé d'un machin synchron triphasé (un altrnatur d'automobil, oir Figur 1) t d'un machin à courant continu à aimants prmannts [MM1], - un alimntation continu réglabl 0-60V 20A pour l motur à courant continu [S3], - un alimntation continu réglabl d'au moins 15V t 3A pour l'xcitation d l'altrnatur, - un rhéostat triphasé d 6,8Ω 10A par nroulmnt [R3], - d un oscilloscop, d 2 oltmètrs t d'un ampèrmètr [M3], - d'un sond d courant instantané [M2]. 2

3 MANPULATON 1. TUD D LA FORC LCTROMOTRC A VD D L'ALTRNATUR 1.1 Princip d bas Un altrnatur synchron st un machin élctriqu tournant prmttant d crér un (ds) forc(s) élctromotric(s) altrnati au moyn d la rotation d'aimants ou d'élctro-aimants dant dφ ds bobins fixs. C'st donc la loi d Faraday ( t) = qui st mis n ju. Ls aimants ou élctroaimants constitunt la rou polair placr au rotor. Ls bobins fixs constitunt l'induit t sont placés dt au stator. 1.2 Montag - Branchz l'alimntation du motur à courant continu. Vérifiz qu l'alimntation affich ss tnsion t courant d sorti. - Câblz l xcitation d la machin synchron. Pour cla, alimntz la rou polair au moyn d un sourc d tnsion continu mais réglabl. Préoir un ampèrmètr adéquat pour la msur du courant d xcitation. - Réalisz l couplag étoil d l induit d la machin synchron. Préoir d branchr un oltmètr à alur fficac rai t un oscilloscop 1.3 La FM st altrnati, quasi-sinusoïdal, triphasé Après aoir réglé la itss d rotation du banc à 1500tr/mn t l courant d'xcitation d l'altrnatur à 1A, isualisz par group d 2 ls différnts tnsions simpls produits par l'altrnatur. 1.4 La fréqunc d la FM dépnd linéairmnt d la itss d rotation A partir du point d fonctionnmnt précédnt msurz la fréqunc d la FM pour 1000, 2000 t 3000tr/mn, n consrant l courant d'xcitation à 1A. Dans chaqu cas, calculz l rapport ntr la pulsation élctriqu t la itss d rotation n rd/s. Comparz au nombr d dnts (griffs) d la rou polair. 1.5 L'amplitud t la alur fficac d la FM dépnd linéairmnt d la itsss d rotation, à courant d'xcitation constant A partir du point d fonctionnmnt, msurz l'amplitud t la alur fficac d la FM pour 1000, 2000 t 3000tr/mn, n consrant l courant d'xcitation à 1A. 3

4 1.6 Tracé d la caractéristiqu à id à itss d rotation constant Pour un itss d rotation d 1500tr/mn, rmplissz l tablau suiant : (A) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 (V) ˆφ (Wb) où st l courant d'xcitation d la rou polair, la alur fficac d la FM à id sur un nroulmnt d l'induit (ici tnsion simpl, puisqu montag étoil) t ˆφ la alur maximal (ou amplitud) du flux d'induction total noyé à id par la rou polair dans ct nroulmnt. L xprssion d st donné par la formul : 1 2 N N p ˆ π p ˆ 4, 44 p ˆ = φ ( ) Ω = φ( ) = φ ( ), ac p l nombr d pairs d pôls d la rou polair, Ω la itss d rotation n rd/s t N la itss d rotation n tr/mn. Tracz la caractéristiqu à id ) à 1500tr/mn t la courb d "flux util à id" ˆ φ ( ). Analysz la form d cs courbs. ( 2. TUD D L'MPDANC NTRN D L'ALTRNATUR 2.1 Modèl d bas Lorsqu l'altrnatur st n charg, nous supposrons qu chaqu nroulmnt d phas d l'induit s comport comm un sourc d tnsion réll qui put êtr décrit par un schéma équialnt d Thénin (Figur 2). + Xj R V Figur 2 : Schéma équialnt d'un nroulmnt d l'induit X st applé la réactanc synchron t on admttra qull st positi (d natur inducti). R st la résistanc d'un nroulmnt. Z=Xj+R st l'impédanc intrn du génératur équialnt d Thénin. 4

5 2.2 Caractérisation d l'impédanc intrn par l'ssai n court-circuit - Rprnz l montag précédnt t placz l stator n court-circuit n msurant l courant fficac d lign ( ). Pour un itss d rotation d 1500tr/mn, rmplir l tablau suiant : (A) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 (A) Z = (Ω) ( ( - Tracz ls courbs ) t Z ). Conclusion? - Toujours sur l mêm montag t pour un courant d'xcitation constant d 0,4A, msurz l courant d court-circuit pour 1000, 2000 t 3000tr/mn. Montrz qu cs msurs prmttnt d supposr qu Z Xj t qu X st d la form X = Lω, ac ω la pulsation élctriqu au stator. L st applé l'inductanc synchron. Détrminz sa alur. 3. TUD D'UN PONT D FONCTONNMNT SUR CHARG RSSTV 3.1 Msur - Réglz l rhéostat triphasé à 4Ω par nroulmnt par un méthod oltampérmétriqu au moyn d un alimntation continu. - Branchz sur l stator d l'altrnatur c rhéostat triphasé câblé n étoil. Placz sur l stator un oltmètr pour msurr un tnsion simpl t un ampèrmètr pour msurr l courant d lign. - Amnz l'xcitation à 0 puis la itss d rotation à 2500tr/mn. Augmntz progrssimnt l'xcitation pour amnr la tnsion simpl au stator à 14V n maintnant la itss à 2500tr/mn. Rlz alors l courant d'xcitation corrspondant t msurz l courant d lign. 3.2 Préision par l modèl n mployant l modèl d la Figur 2 t ls alurs numériqus ds paramètrs obtnus dans ls partis t, prédétrminz l courant d'xcitation prmttant d'obtnir la tnsion simpl t l courant d lign du point d fonctionnmnt précédnt, un supposant unitair l factur d puissanc d la charg. 5