6GEI700 : Transport et Exploitation d Énergie Électrique TP 1 : Puissances active et réactive

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1 GEI700 Automne 0 GEI700 : Transport et Exploitation d Énergie Électrique TP : Puissances active et réactive But. Pour interpréter la signification d une puissance positive, négative, réactive et active.. Pour observer l écoulement d une puissance active et réactive dans un circuit triphasé. Discussion Dans les circuits en courant continu, la puissance active (en Watts) délivrée à la charge est toujours égale au produit de la tension et du courant. Cependant, dans les circuits à courant alternatif, ce produit est généralement plus élevé que la puissance réelle (ou active) que la charge consomme. Pour cette raison, les wattmètres sont utilisés pour mesurer la puissance active (en watts). Dans un circuit triphasé à trois fils, deux wattmètres sont utilisés pour déterminer la puissance active tandis que dans un circuit triphasé à quatre fils ( phases et un neutre), trois wattmètres sont nécessaires. Ces appareils de mesures peuvent être combinés en un seul wattmètre de conception spéciale, qui simplifie grandement le problème de lecture (plus besoin d ajouter les valeurs de deux ou trois wattmètres pour obtenir la puissance active totale). Un wattmètre triphasé typique (Fig. -) possède trois entrées (,, ) et trois sorties (4,, ). W 4 Fig. - : Wattmètre triphasé. i le wattmètre est connecté dans un circuit triphasé comme indiqué à la Fig. -, il indiquera la puissance réelle totale s écoulant dans la ligne. i la puissance s écoule de l entrée (,, ) vers la sortie (4,, ), c est à dire de la gauche vers la droite (Fig. -) l aiguille du wattmètre déviera vers la droite et la lecture sera positive. Cependant, si la puissance s écoule de la droite vers la gauche, c est à dire de la sortie vers l entrée, l aiguille du wattmètre déviera vers la gauche et la lecture sera négative. La puissance réelle est alors positive ou négative dépendamment de la direction d écoulement. La direction d écoulement de la puissance peut être facilement déterminée lorsque les bornes d entrée ont été identifiées. La puissance réactive est la puissance associée à la charge et décharge de condensateurs ainsi que la diminution et l augmentation de champs magnétiques de circuits inductifs, faisant partis d un circuit en courant alternatif. En effet, l énergie (en Joules) dans les circuits inductifs augmente et décroît en réponse au courant alternatif qui le traverse, il s en suit qu il n y a pas d écoulement de puissance réelle dans le circuit inductif. En d autres termes, le courant circuile à travers la bobine et une tension GEI700 : TRANPORT ET EXPLOITATION D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE PAGE

2 apparaît à ses bornes, ainsi n importe quel observateur est apte à croire qu une certaine puissance y est impliquée. Le produit de la tension et du courant dans un bobinage est appelé puissance réactive, et est exprimée en var ou kilovar (kvar). La puissance réactive est nécessaire pour produire en alternatif un champ magnétique. Dans la même direction, le champ électrique alternatif dans une capacité, requiert aussi une puissance réactive. En raison de la prédominance accablante des équipements électromagnétiques (par opposition aux équipements électrostatiques), nous considérons que la puissance réactive, à chaque fois qu il apparaît, est une sorte de puissance qui a la possibilité de produire un champ magnétique. La puissance réactive, tout comme la puissance active, peut être mesurée avec des appareils de mesures appropriés appelé varmètres. Dans un circuit triphasé, les deux ou trois varmètres qui devraient ordinairement être utilisés peuvent être combinés en un seul instrument pour donner une seule lecture de la puissance réactive totale s écoulant dans le circuit. Un tel instrument, présenté à la Fig. -, possède trois bornes d entrées (,, ) et trois bornes de sorties (4,, ). var 4 Fig. - : varmètre triphasé. Lorsque la puissance réactive s écoule des bornes d entrées aux bornes de sorties, l appareil donnera une lecture positive. Inversement, si l écoulement de la puissance réactive a lieu des bornes de sorties vers les bornes d entrées, une lecture négative en résultera, qui peut être seulement visible par l inversion d un contact appropriée. Par exemple, si une source triphasée et une bobine triphasée sont connectées comme indiqué à la Fig. -, l écoulement de la puissance réactive est évidemment de la gauche vers la droite, et le varmètre indiquera une lecture positive. Tout comme avec le wattmètre, la direction d écoulement de la puissance réactive peut être déterminée lorsque les bornes d entrées du varmètre sont identifiées. ource triphasée var 4 Charge inductive triphasée Fig. - Les circuits triphasés alternatifs peuvent contenir plusieurs types de composants et appareils, mais l écoulement de puissance active ou réactive peut toujours être déterminé en introduisant des wattmètres et varmètres. L exemple de la Fig. -4 illustrera comment certaines lectures typiques peuvent être interprétées. Une impédance Z forme une partie d un large circuit (non représenté), et des wattmètres W, W et varmètres var, var sont connectés à chaque côté. Les bornes d entrées sont supposées être à gauche de chaque instrument. Les appareils indiquent les lectures suivantes : W = + 70 W W = - 40 W var = - 0 var Var = - 80 var GEI700 : TRANPORT ET EXPLOITATION D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE PAGE

3 W var var W Z Fig. -4. Comment pouvons-nous interpréter ces résultats? Premièrement, nous devons reconnaître que les puissances actives et réactives s écoulent indépendamment l un de l autre. L un n affecte pas l autre. Par conséquent, nous ne devons jamais additionner ou soustraire une puissance active et une puissance réactive. Considérons premièrement la puissance active. Étant donné que W est positif, la puissance active s écoule donc vers la droite. Étant donné que W est négatif, la puissance active s écoule donc vers la gauche. Il s en suit donc que l impédance Z doit absorber = 0 watts. Ensuite, regardons la puissance réactive ; 80 var s écoulent vers la gauche, à travers l impédance Z, tandis que 0 var s écoulent vers la droite, mais pas à travers l impédance Z. Il s en suit que l impédance Z absorbe (80 0) = 0 var, et cette puissance crée un champ magnétique. Cet exemple montre que lorsque les wattmètres et varmètres sont connectés de chaque côté d un circuit électrique ou équipement, nous pouvons déterminer les puissances active et réactive qu il produit ou consomme. INTRUMENT ET COMPOANT Module de source de puissance (0/08 V φ, 0-0/08 V φ) EM 88 Module resistance EM 8 Module inductance EM 8 Module de capacité EM 8 Module de mesure AC (,/,/, A) EM 84 Module de mesure AC (0 V) EM 84 Module du Watt-Varmètre triphasé (00 W - 00 var) EM 844 Fils de raccordement EM 98 Module du moteur à induction de rotor à enroulement (optionnel) EM 8 Module du moteur à induction à cage d écureuil (optionnel) EM 8 EXPÉRIENCE Attention : La haute Tension est utilisées dans cette expérience de laboratoire! Ne pas effectuer des connexions sous tension! Les expériences suivantes impliquent l utilisation d une source triphasée, trois voltmètres, trois ampèremètres, un watt-varmètre triphasé et une charge triphasée équilibrée connectée en étoile. La source est prise aux bornes 4,, de la source de puissance, et ajustée pour obtenir une tension de l ordre de 08 volts. -) En utilisant une charge de trois résistances de 00 Ω connectées en étoile comme indiqué à la Fig. -, mesurer E, I, W, var et compléter le Tableau -. GEI700 : TRANPORT ET EXPLOITATION D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE PAGE

4 0, A 0 0 V E 00 Ω 0 08 V φ 4 W var 4 I I EM 844 Fig. -. I EM 8 -) Remplacer la charge résistive par trois inductances ayant une réactance de 00 Ω, connectées en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau -. Note : les fils venant de la source doivent être reliés aux bornes,, du watt-varmètre dans l ordre de séquence des phases. i la séquence des phases de la source de puissance est --, le varmètre donnera la correcte lecture si les bornes,, de la source de puissance sont connectés aux bornes,, de l instrument de mesure. Dans cette expérience, la lecture du varmètre devrait être positive. i la lecture est négative, la séquence des phases est incorrecte et deux des fils provenant de la source devraient être interchangées. -) Répéter les expériences -, en utilisant trois capacités ayant une réactance de 00 Ω chacune, connectés en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau -. -4) Répéter les expériences -, mais ajouter trois résistances de 00 Ω (connectées en étoile) en parallèle avec les capacités de charge en utilisant trois capacités ayant une réactance de 00 Ω chacune, connectés en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau -. La puissance active est-elle affectée lorsque la charge capacitive est connectée ou déconnectée?. -) Répéter l expérience -, mais ajouter les inductances de charges de l expérience - en parallèle avec les résistances de charge. Relever les valeurs et compléter le Tableau -. Pourquoi la puissance active est légèrement affectée lorsque la charge inductive est connectée ou déconnectée?. La puissance active est-elle affectée lorsque la charge résistive est connectée ou déconnectée? -) Répéter l expérience -, mais utiliser des inductances de charges (ayant chacune une réactance de 00 Ω) en parallèle avec les capacités de charge (ayant chacune une réactance de 00 Ω), toute connectées en étoile. Relever les valeurs et compléter le Tableau -. Convenezvous qu à toutes fins pratiques, les capacités génèrent la majorité de la puissance réactive requise par les inductances? Convenez-vous qu à toutes fins pratiques, les capacités puissent être considérées comme source de puissance réactive? -7) achant que la puissance apparente en Volt-ampère (VA) est donnée par l expression suivante : VA = W + Calculer la puissance apparente VA dans le tableau -. var GEI700 : TRANPORT ET EXPLOITATION D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE PAGE 4

5 -8) achant que la puissance apparente d un circuit triphasé équilibré est donné par l équation : VA = EI, calculer cette puissance et comparer avec les valeurs obtenues expérimentalement en -7. Expérience No. - Charge E (V) I (A) W var VA E I R - - X C R -4 X C R - X C - Tableau -. QUETION ET PROBLÈME. Une charge électrique Z est connectée aux bornes d une source alternative de 0 volts. Indiquer la direction de l écoulement de puissance active et réactive si Z est composée de a) une résistance, b) une inductance, c) une capacitance, d) une résistance et une inductance, e) une résistance et une capacitance, f) un moteur monophasé. Voir Fig. -. ource 0 V AC Charge Z Fig. -.. Calculer les puissances active et réactive qui est délivrée par une source monophasée dans les deux circuits monophasés présentés à la Fig. -7. = 0Ω 0 V AC R = 40Ω 0 V AC 40Ω 90Ω 0Ω (a) Fig. -7. (b) GEI700 : TRANPORT ET EXPLOITATION D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE PAGE

6 .. Une source triphasée ayant une tension ligne-ligne de 9 kv alimente une charge résistive ayant une impédance de 00 Ω par phase et connectée en étoile. Calculer la puissance active délivrée. 4. Expliquer ce qui est signifié par le fait qu'un inducteur absorbe de la puissance réactive tandis qu'un condensateur fournit de la puissance réactive.. Une ligne triphasée, schématiquement représenté à la Fig. -8, délivre une puissance active et réactive comme indiqué dans le Tableau -. Calculer la puissance active et réactive absorbée par la ligne. ource kw kvar Ligne kw kvar Récepteur Écoulement de puissance positive Écoulement de puissance positive Fig. -8. KW kvar kw kvar Ligne kw Ligne kvar Tableau -.. Une ligne triphasée opérant à une tension ligne-ligne E alimente une charge connectée en étoile dont l impédance est Z ohms par phase. Montrer que la puissance totale apparente est donnée par l équation = E /Z. Référence : Wildi, Théodore, 99- +Lab-Volt (Québec) Ltée, Electric Power Transmission system Edition : te Foy : Lab-Volt, 99. Localisation : ( document) Collection générale :. X047 TKW7. GEI700 : TRANPORT ET EXPLOITATION D ÉNERGIE ÉLECTRIQUE PAGE