CONVERSION D ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE

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1 UNIVERSITE DE LIEGE Faculté des Sciences Appliquées Département d Electricité, Electronique et Informatique Institut Montefiore CONVERSION D ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE Travaux Pratiques 3 ème Bachelier Ingénieur Civil Applied and Computational Electromagnetics Professeur C.Geuzaine Année Académique Version 1.0 (2 mars 2012)

2 «Rien de ce qui existe par nature ne peut être rendu autre par l habitude : ainsi la pierre, qui se porte naturellement vers le bas, ne saurait être habituée à se porter vers le haut, pas même si des milliers de fois, on tentait de l y accoutumer en la lançant en l air ; pas davantage ne pourrait-on habituer le feu à se porter vers le bas ( ) Pour les arts, au contraire, leur possession suppose un exercice antérieur. En effet, les choses qu il faut avoir apprises pour les faire, c est en les faisant que nous les apprenons : par exemple, c est en contruisant qu on devient constructeur, et en jouant de la cithare qu on devient cithariste ( ) Jouer de la cithare forme indifféremment les bons et les mauvais citharistes. On peut faire une remarque analogue pour les constructeurs de maison et tous les autres corps de métier : le fait de bien construire donnera de bons constructeurs, et le fait de mal construire, de mauvais. En effet, s il n en était pas ainsi, on n aurait aucun besoin du maître, mais on serait toujours de naissance bon ou mauvais dans son art. Aristote, Ethique à Nicomaque (II, 1)

3 INTRODUCTION But des travaux pratiques Les travaux pratiques ont pour but de permettre aux étudiants de travailler sur une installation réelle comportant transformateurs, moteurs et générateurs et d y relever des mesures de tension, de courant, de vitesse et de couple. Les résultats de mesure seront comparés aux courbes vues lors du cours théorique. Les manipulations donnent à la fois une illustration directe de la théorie et une perspective pratique sur la conversion d énergie électromagnétique. Modalités pratiques. Les séances de laboratoire durent quatre heures, de 8h30 à 12h30 le matin et de 14h à 18h l après-midi. La préparation au laboratoire est nécessaire, vu la complexité de certaines parties de la matière ainsi que les niveaux de tension et de courant mis en jeu lors des manipulations. Chaque séance commence par une interrogation permettant de vérifier la bonne préparation au labo. A la fin du laboratoire, chaque étudiant est amené à remettre un calcul réalisé sur les mesures prises au laboratoire. Ce calcul constitue la seconde partie de l évaluation de labo. Mesures de sécurité. En vue d assurer la sécurité de tous, quelques règles de base sont à respecter au laboratoire de conversion d énergie électromagnétique : - Seuls les groupes qui travaillent sont admis à l intérieur du laboratoire. Donc, il est demandé aux étudiants de demeurer à l extérieur du laboratoire jusqu à l arrivée de l assistant. Les groupes ayant terminé leurs manipulations devront quitter le laboratoire. - Avant de mettre les machines sous tension, il faut impérativement appeler un assistant afin de vérifier le montage! Le groupe d étudiant ne respectant pas cette consigne sera exclu du laboratoire en cours.

4 Rappels 1 Les appareils de mesure 1.1 Grandeurs continues Ces appareils dérivent du galvanomètre à cadre mobile. Ils sont identifiables par les signes suivants: Le voltmètre est un galvanomètre avec une très grande résistance en série. L ampèremètre est constitué d un millivoltmètre et d un shunt. mv Deux grandeurs caractéristiques permettent de définir le shunt: le courant maximum permis et la chute de tension correspondante. 1.2 Grandeurs alternatives Ces appareils se distinguent par un signe schématisant une sinusoïde suivi généralement des fréquences limites entre lesquelles ils doivent être utilisés Les ampèremètres La plupart de ces appareils permettent une mesure directe d un courant dont l intensité maximale ne dépasse pas 5 ou 6 A. Pour étendre leur gamme, on se sert d un transformateur d intensité (ou "TI") comme intermédiaire. 50 A 25 A 10 A K(P1) 0 A l(s2) A k(s1) Le secondaire du TI est le plus souvent prévu pour un courant de 5 A maximum et plusieurs prises autorisent le choix du rapport approprié.

5 Remarque : On ne peut jamais ouvrir le circuit secondaire d un Transformateur d Intensité lorsqu un courant circule dans son bobinage primaire. En effet, le TI entrerait en saturation (n 1 i 1 -n 2 i 2 = ) et il y aurait apparition d un tension induite très grande au secondaire, avec risque de détérioration du matériel et danger pour l utilisateur Les voltmètres Leurs gammes sont assez étendues pour ne pas nécessiter lors des séances de laboratoires de transformateurs de potentiel (ou "TP").

6 1.2.3 Les wattmètres Ils sont composés d un équipage ampèremétrique qui accepte un courant nominal, le plus souvent de 5 A, et d un équipage voltmétrique. L indication du wattmètre est la valeur moyenne du produit u(t).i(t). Pour des courants et tensions sinusoïdaux, cela donne UI cos. Chaque équipage possède une borne repérée par une étoile et les conventions suivantes sont adoptées pour que la déviation de l appareil soit positive: ampèremétrique côté générateur et voltmétrique côté de l équipage ampèremétrique. Mesure en monophasé Remarque: un ampèremètre de contrôle doit toujours être mis en série avec l équipage ampèremétrique pour contrôler que l on ne dépasse pas l intensité maximale permise. Mesure en triphasé La méthode des deux wattmètres est la suivante :

7 P G R W 1 W 2 tg φ 3 W 1 W 2 W 1 W 2 Remarques: 1) W 1 ou W 2 peut être négatif mais leur somme doit être positive. 2) Cette somme représente la puissance active, c est-à-dire le produit UI cos où U est la tension phase-neutre; dans le cas où on utilise la tension phase-phase, il est nécessaire d introduire la racine carrée de trois dans le produit. Cas où le neutre est accessible Dans un système équilibré, on peut ne brancher qu un wattmètre en mettant une borne voltmétrique au neutre. On mesure alors un tiers de la puissance totale.

8 Moteur asynchrone Relevé de la courbe C(N) Détermination du schéma équivalent 1. Matière à préparer : Régimes triphasés : puissance, montages étoile et triangle, phaseurs, Théorie du moteur asynchrone : principe physique, schéma équivalent, diagramme du cercle, alimentation à fréquence variable, Méthodes de démarrage du moteur asynchrone. Méthodes de mesures DC et AC : shunt de mesure, transformateurs d intensité, méthode des deux wattmètres, 2. Essais à réaliser a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour les machines, il faut toujours commencer par relever les caractéristiques nominales de courant, tension, puissance, vitesse de rotation de chaque machine. Ces caractéristiques sont indiquées sur la plaque signalétique des machines. Un exemple d une plaque signalétique d une machine vous est donnée ci-dessous. Questions : - Comment se fait-il qu il y ait deux valeurs du courant nominal alors qu il n y a qu une seule valeur indiquée pour la puissance nominale? - A partir de la plaque signalétique ci-dessus, est-il possible de savoir de quel type de moteur il s agit? - Quelle est la vitesse de synchronisme du moteur correspondant à la plaque signalétique donnée ci-dessus? - Que vaut le glissement en régime nominal? le couple nominal?

9 b. On souhaite avoir un schéma équivalent du moteur asynchrone permettant de connaître ses caractéristiques. Réalisez les essais nécessaires à la détermination des valeurs des éléments du schéma équivalent du moteur asynchrone. Questions : - Quels essais faut-il réaliser pour cela? - Quelles précautions faut-il prendre pour réaliser chacun de ces essais? - Faut-il viser un schéma équivalent monophasé ou plutôt triphasé? c. Relevez plusieurs points de fonctionnement du moteur. En déduire les courbes suivantes : - C = f(n) - C = f(g) - η async = f(c) - η global de l installation pour un point particulier de fonctionnement - η moteur DC idem 4. Problème : Un moteur asynchrone dont le stator possède quatre pôles est alimenté par le réseau 60 Hz et tourne avec un glissement de 5%. Quelle est sa vitesse de rotation en tours/min? 5. Quelques photos Le rotor d un moteur monophasé (découpé de façon à ce qu on puisse voir la cage d écureuil) Le stator du même moteur monophasé. Ce moteur provient d une machine à lessiver.

10 Un moteur asynchrone triphasé typique du monde de l industrie

11 Alternateur Détermination du schéma équivalent (Xs) Mise en parallèle sur le réseau Relevé d une courbe en V 1. Matière à préparer Régimes triphasés : puissance, montages étoile et triangle, phaseurs, Principe physique de la machine synchrone Caractéristiques à vide, en court-circuit et réactance synchrone Mise en parallèle sur le réseau Courbes en V Pertes et rendement Transits de puissance 2. Essais à réaliser a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour les machines, relevez les caractéristiques nominales de courant, tension, puissance, vitesse de rotation, etc. de chaque machine. Ces données sont indiquées sur la plaque signalétique des machines. b. Déterminez par mesure (puis par calcul) l évolution de la réactance synchrone (X s ) en fonction du courant d excitation de l alternateur (i e ) Questions : - Pour obtenir X s (i e ), quels essais devez-vous réaliser? - Dans quelles conditions particulières ces essais doivent-ils être réalisés? - Quelles précautions faut-il prendre lorsqu on effectue ces essais? c. Réalisez une mise en parallèle de l alternateur sur le réseau. En faisant ensuite varier la puissance mécanique fournie à l alternateur, relevez pour 3 points de fonctionnement les valeurs de la tension aux bornes de l alternateur, et du courant I et de la puissance active W injectés par l alternateur dans le réseau. Déduisez à partir du diagramme vectoriel la valeur de i e et comparez-la à la valeur mesurée. d. Relevez deux courbes en V de l alternateur Questions : - Pour observer la courbe en V, faut-il connecter l alternateur en parallèle sur le réseau électrique ou plutôt le connecter à une charge? Expliquez. - La courbe en V permet d étudier l évolution de quelle grandeur en fonction de quelle autre? - Quel est l intérêt pratique, dans le cadre de la production d énergie électrique, de relever cette courbe en V? 3. Problème Lors d un essai à 1500 tours/min et i e = 1A, on a relevé E v = 50V et I cc = 20 A. Pour le même i e et à 3000 tours/min, on demande les valeurs de E v, X s et I cc.

12 4. Courbe en V d un des alternateurs de la centrale de Tihange

13 Machines DC Caractéristique mécanique d un moteur Caractéristiques à vide et extérieure d une génératrice à exc. ind. et shunt 1. Matière à préparer Principe physique des machines à courant continu : moteur et génératrice Caractéristiques des moteurs shunts Caractéristiques des génératrices shunt et à excitation indépendante Démarrage d un moteur shunt Réaction d induit et pertes dans les machines à courant continu. 2. Essais à réaliser - La température de régime d une machine à pleine charge est voisine de 70 C. Quand la machine tourne à vide, elle a une température de 30 C. - Ra = 0,512 Ω à 20 C pour les deux machines (α = ) a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour les machines, il faut toujours commencer par relever les caractéristiques nominales de courant, tension, puissance, vitesse de rotation, etc. de chaque machine. Ces caractéristiques sont indiquées sur la plaque signalétique des machines. b. Relevez la caractéristique mécanique du moteur shunt. Questions : - Dans quelles conditions particulières ces essais doivent-ils être réalisés? - Quelles précautions faut-il prendre lorsqu on effectue ces essais? c. Relevez la caractéristique à vide de la dynamo à excitation indépendante à 1550 t/min. Justifiez son allure. d. Relevez la caractéristique extérieure de la dynamo à excitation indépendante en l entraînant à 1500 t/min. (Régler l excitation de la génératrice de sorte que la tension à vide à 1500 t/min soit égale à la tension nominale de la machine.) Justifiez son allure.

14 e. Relevez la caractéristique extérieure de la dynamo à excitation shunt en l entraînant à 1500 t/min. (Régler l excitation de la génératrice de sorte que la tension à vide à 1500 t/min soit égale à la tension nominale de la machine.) Comparez cette caractéristique à celle de la génératrice à excitation indépendante. 3. Problème Un moteur shunt possède les caractéristiques suivantes : U N = 110V, I N = 110A, N N = 3000 t/min, R a = 0,1 Ω. Calculez : 1. La résistance à placer en série avec l induit lorsqu on démarre sous 110V et qu on limite le courant de démarrage à 2 fois le courant nominal. 2. Le couple électromagnétique lorsqu à la vitesse nominale le courant d induit vaut 85A et que la tension d alimentation est de 110V.

15 Transformateur triphasé 1. Matière à préparer Régimes triphasés : puissance, montages étoile et triangle, phaseurs, Principe physique du transformateur Détermination des éléments du circuit équivalent Fonctionnement à vide, en court-circuit et en charge Détermination du rendement et de la caractéristique extérieure 2. Essais à réaliser Précautions Lors de chaque coupure de l alimentation du transformateur, ramener la tension primaire à zéro à l aide de l autotransformateur avant le prochain essai. Pour l essai en court-circuit, demander à l assistant de court-circuiter le transformateur et veiller à alimenter le primaire sous une tension extrêmement réduite. Veiller à ne jamais dépasser les valeurs nominales du courant et de la tension. a. En vue de travailler à chaque moment en sécurité pour le transfo, il faut toujours commencer par relever les caractéristiques nominales de courant, tension, puissance de celui-ci. Ces caractéristiques sont indiquées sur la plaque signalétique du transfo. b. Déterminez par mesure (puis par calcul) les éléments du schéma équivalent du transformateur. Questions : - Pour cela, combien d essais devrez-vous réaliser? - Dans quelles conditions particulières ces essais doivent-ils être réalisés? - Quelles précautions faut-il prendre lorsqu on effectue ces essais?

16 c. Déterminez le rapport du nombre de spires d une bobine secondaire avec le nombre de spires d une bobine primaire. Etablissez théoriquement le rapport de transformation dans les différentes configurations et vérifiez vos résultats par mesure. d. Relevez la caractéristique extérieure du transformateur pour une charge résistive. e. Pour un régime donné de fonctionnement, déterminez le rendement au moyen de deux méthodes que vous comparerez. Déterminez la condition pour avoir un rendement maximum. f. Visualisez à l aide de l oscilloscope (demander à l assistant d effectuer tous les réglages) l évolution de la forme du courant magnétisant en fonction de la tension appliquée pour une configuration triangle au primaire. 3. Problème Un transformateur travaille à tension primaire constante. On mesure ses pertes magnétiques. A 60 Hz : p H = 420 W p F = 210 W A 50 Hz : p H = 504 W p F = 210 W Justifiez l évolution des pertes par hystérésis et par courants de Foucault en fonction de la fréquence. 4. Photo du transformateur à l essai