TP N 5 Génératrice synchrone (alternateur)

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1 Université de TOULO et du AR oms Prénoms : Institut Universitaire de Technologie Licence professionnelle Techniques de conversion des énergies renouvelables Maitriser et Intégrer les Energies Date : Prépa : /4 TP : /10 Rapp : : /6 Total : /20 PREPARATIO : TP 5 Génératrice synchrone (alternateur) Rappeler les formules ou les règles qui permettent d obtenir : - La fréquence de la tension de sortie. - La valeur efficace de la f.é.m. aux bornes d un enroulement (formule de Boucherot). - Le moment du couple sur une machine balance. - Le rendement de l alternateur à pleine charge si l on dispose d une excitatrice en bout d arbre et qu on néglige l excitation de l excitatrice. - Les conditions nécessaires au couplage d un alternateur sur un réseau. - La façon d augmenter la puissance active injectée sur le réseau - La façon d augmenter la puissance réactive injectée. La plaque signalétique de machine indique : Marque : ECO Type : Puissance utile : P u 3 k itesse : n tr/mn Fréquence : f 50 Hz Induit, couplage en étoile : Tension : U 220 Courant : I 8 A Roue polaire, excitation : I ex 10 A U ex 20 Excitatrice Marque : ECO Type : Génératrice à courant continu Puissance utile : P u 200 itesse : n tr/mn Induit : U G 20 I G 10 A Excitation : I exg 3,5 A U exg 20 Le courant d excitation du moteur d entrainement est de I exm 0,8A Garnero 1 MIE-TCER-TP-5.doc

2 EXPERIMETATIO : PREALABLE : oter toutes les valeurs indiquées sur la plaque signalétique de l alternateur ainsi que celles sur la plaque de l excitatrice. 1 ) ESSAIS A CIRCUIT OUERT : Il s agit de la première approche. On analyse comment évoluent la tension de sortie et la fréquence lorsque l alternateur ne débite pas : - d une part en fonction de la fréquence de rotation, à excitation constante, - d autre part en fonction du courant d excitation, à vitesse constante. Moteur Plaques à bornes 3 M 1 M 4 M 2 M 3 M Roue polaire Cavaliers AL 2 Induit 0 à 300 Rh Mcc 4 M 2 M n 1 A Roue polaire 2 A U i 0 u 0 Excitatrice A 2 A U AL 1 Excit. A A 2 4k % i exa AL Hz 1 M Pupitre Moteur d entrainement Alimentation sur roulettes Réaliser le montage ci-dessus puis relever et tracer sur papier millimétré, les deux caractéristiques de réglage de la tension à circuit ouvert. Réglage de la vitesse de rotation Pour n allant de 0 à 1 800tr/mn U 0 f(n) i exa à 10 A et i 0 f g(n) 1 ) Déterminer les valeurs que l on va choisir pour n et tracer un tableau qui pourra contenir les valeurs. 2 ) Mettre en marche AL 1, puis régler Rh pour que l ampèremètre A 1 I exm 0,8 A 3 ) Mettre en marche l AL 3, puis la régler pour que l ampèremètre A 2 indique I exa 10 A. 4 ) Mettre en marche AL 2 puis la régler pour que le tachymètre indique la valeur désirée puis noter la valeur de U 0 et de f sur le voltmètre 1. 5 ) Reprendre les mesures précédentes jusqu à ce que la vitesse atteigne tr/mn. Ensuite ramener AL 2 à zéro, puis ramener l AL 3 à zéro, enfin, en dernier lieu, couper AL 1. 6 ) Tracer la caractéristique demandée et vérifier si tous les points relevés sont convenables. S il y a lieu, refaire la mesure pour les points suspects. Garnero 2 MIE-TCER-TP-5.doc

3 Réglage de l excitation Pour i exa allant de 0 à 10 A U 0 h(i exa ) à n 1 500tr/mn et i 0 1 ) Déterminer les valeurs que l on va choisir pour i exa et tracer un tableau qui pourra contenir ces valeurs. 2 ) Mettre en marche AL 1, puis régler Rh pour que l ampèremètre A 1 indique I exm 0,8 A. 3 ) Mettre en marche AL 2 puis la régler pour que le tachymètre indique n tr/mn. 4 ) Mettre en marche AL 3, l augmenter jusqu à ce que A 2 indique i exa 10 A, puis revenir à zéro ceci afin de stabiliser le cycle d hystérésis magnétique de la roue polaire. oter la valeur de U 0 lorsque i exa 0. Augmenter le courant par l intermédiaire d AL 3 jusqu à ce que la première valeur prévue soit atteinte. Attention les variations de i exa doivent être monotones. Il ne faut pas revenir en arrière pour ajuster les valeurs, si la valeur prévue est légèrement dépassée, on note la valeur réellement atteinte. 5 ) Reprendre les mesures précédentes jusqu à ce que i exa 10 A 6 ) Reprendre à nouveau les mesures, par valeurs décroissantes, jusqu à zéro. Ensuite ramener AL 2 à zéro, enfin en dernier lieu couper AL 1. 7 ) Tracer la caractéristique demandée par valeurs croissantes et décroissantes. érifier si tous les points relevés sont convenables. S il y a lieu, refaire la mesure pour les points suspects Pour la n tr/mn et i exa 10 A, observer la qualité des sinusoïdes produites. Que peut-on dire du chronogramme? Mesurer le taux de distorsion harmonique THD et indiquer la valeur des premières raies du spectre. Commentez vos résultats. Que peut-on dire de chacune des courbes? Calculer le nombre de paires de pôles de la roue polaire. 2 ) ESSAIS E CHARGE Cet essai permet de voir comment se comporte la tension de sortie quant on fait débiter du courant à l alternateur pour différents facteurs de puissance. On mesure également le couple mécanique le subi par l arbre. Poids de la masse mobile P 20 3 M AL 2 Induit 0 à 300 Rh P T abs P x l Mcc 4 M 2 M n A 2 1 A 2 A Roue polaire U u A 3 i R 4 k L 4 ka C 4 ka AL 1 Excit. A M i exa Exc 5 AL 4 1 Centrale de mesure Plans de charges Pupitre Moteur d entrainement Excitatrice AL 4 est une alimentation stabilisée «Fontaine» 30/2A réglable. Réaliser le montage ci-dessus puis relever et tracer sur papier millimétré, les deux caractéristiques de tension et de couple à vitesse de rotation constante. Garnero 3 MIE-TCER-TP-5.doc

4 Pour i allant de 0 à 8 A U f(i) à et T abs g(i) i exa 10 A n 1 500tr/mn cosϕ cte Les relevés sont faits pour 3 valeurs de i : 2,5 A, 5 A 8A et pour 3 valeurs de Cosϕ : 1, 0,8 AR, 0,8 A 1 ) Déterminer les valeurs que l on va choisir pour i a et tracer un tableau qui pourra contenir toutes les valeurs des essais. érifier que R, L et C sont à l arrêt ainsi que l équilibrage de la barre dynamométrique 2 ) Mettre en marche AL 1, puis régler Rh pour que l ampèremètre A 1 indique I exm 0,8 A 3 ) Mettre en marche AL 2 puis la régler pour que le tachymètre indique n 1 500tr/mn. 4 ) Mettre en marche AL 4, puis la régler pour que l ampèremètre A 2 indique I exa 10 A. Stabiliser le cycle d hystérésis de la roue polaire en faisant un aller-retour d AL ) Cosϕ 1 Charge purement résistive oter la valeur de la tension U et du moment du couple T abs, le courant étant encore nul. Mettre en marche le plan de charge résistif pour obtenir I 2,5 A sur l ampèremètre A 3. Relever les valeurs de U et de Tabs. (vérifier que i exa et n n ont pas changé, corriger s il y a lieu) 6 1 ) Reprendre la mesure précédente pour I 5 A puis pour I 8 A. Ensuite ramener le plan de charge à zéro. 5 2 ) Cosϕ 0,8 AR Charge résistive et inductive (R L) Mettre en marche le plan de charge résistif pour obtenir I 0,8 2,5 2 A sur l ampèremètre A 3. Mettre en marche le plan de charge inductif et augmenter le courant pour obtenir I 2,5 A sur l ampèremètre A 3. érifier que le facteur de puissance est bien correct. Si cosϕ est correct (0,8) mais le courant trop faible, augmenter simultanément le courant dans R et dans L, s il est trop fort, les diminuer simultanément. Si le courant est correct mais cosϕ est trop faible (<0,8), augmenter le courant de R et diminuer celui de L ; Si le cosϕ est trop fort (>0,8) diminuer le courant de R et augmenter celui de L. Relever les valeurs de U et de Tabs. (vérifier que i exa et n n ont pas changé, corriger s il y a lieu) 6 2 ) Reprendre la mesure précédente avec le même principe, pour I 5 A puis pour I 8 A. Ensuite ramener les deux plans de charge à zéro. 5 3 ) Cosϕ 0,8 A Charge résistive et capacitive (R C) Mettre en marche le plan de charge résistif pour obtenir I 0,8 2,5 2 A sur l ampèremètre A 3. Mettre en marche le plan de charge capacitif et augmenter le courant pour obtenir I 2,5 A sur l ampèremètre A 3. érifier que le facteur de puissance est bien correct. Le mode opératoire pour le réglage est le même qu au 5 2 mais appliqué à C Relever les valeurs de U et de Tabs. (vérifier que i exa et n n ont pas changé, corriger s il y a lieu) 6 3 ) Reprendre la mesure précédente avec le même principe, jusqu à ce que la valeur nominale du courant soit atteinte. Ensuite ramener les deux plans de charge à zéro puis ramener à zéro AL 4 puis AL 2 et enfin AL 1. 7 ) Tracer les caractéristiques demandées et vérifier si tous les points relevés sont convenables. S il y a lieu, refaire la mesure pour les points suspects Exploitation des résultats : Rendement : En appliquant η 3 U I cosϕ Ω T abs déterminer la valeur du rendement η f(i) pour les 3 valeurs de I et les 3 facteurs de puissance relevés. Tracer cette courbe. Evaluer l incidence de la puissance de la source AL 4 sur le rendement. Commentez vos résultats. Garnero 4 MIE-TCER-TP-5.doc

5 3 ) REGULATIO DE TESIO Le montage est identique au précédent, mais le but est de voir comment il faut régler l excitation pour que la tension de sortie en charge reste constante. On relèvera, pour cosϕ 1 uniquement, les deux courbes : Pour i allant de 0 à 8 A I exa f(i) à et T abs g(i) 1 ) Déterminer les valeurs que l on va choisir pour i et tracer un tableau qui pourra contenir toutes les valeurs de l essai. érifier l équilibrage de la barre dynamométrique. 2 ) Mettre en marche AL 1, puis régler Rh pour que l ampèremètre A 1 indique I exm 0,8 A 3 ) Mettre en marche AL 2 puis la régler pour que le tachymètre indique n 1 500tr/mn 4 ) Mettre en marche AL 4, puis la régler pour que le voltmètre 1 indique U ) oter la valeur du courant I exa et du moment du couple T abs, le courant I étant encore nul. Mettre en marche le plan de charge pour obtenir la première valeur de i sur l ampèremètre A 3. Augmenter AL 4 pour ramener U à 220 Relever les valeurs de I exa et de Tabs. (vérifier que n n ont pas changé, corriger s il y a lieu) 6 ) Reprendre la mesure précédente jusqu à ce que la valeur nominale du courant soit atteinte. Ensuite ramener le plan de charge à zéro, puis AL 4, ensuite AL 2 à zéro, enfin, en dernier, couper AL 1. 7 ) Tracer les caractéristiques demandées et vérifier si tous les points relevés sont convenables. S il y a lieu, refaire la mesure pour les points suspects Exploitation des résultats : Pour 3 valeurs de votre choix, calculer la valeur du rendement de l alternateur. Commentez vos résultats. 4 ) CODUITE SUR LE RESEAU U U 220 n 1 500tr/mn cosϕ 1 Dans cet essai, on fait débiter l alternateur dans le réseau alternatif (EDF). Dans un premier temps on réalise le couplage à l aide du synchronoscope, ensuite on augmente la puissance active débitée sur le réseau P tout en conservant le facteur de puissance à cosϕ 1 L essai est réalisé pour une tension entre phases constante U 220 ~ 50 Hz et pour 4 valeurs du courant en ligne I 0 A, 2 A, 4 A, 6 A, à facteur de puissance maintenu à cosϕ 1. On relèvera le moment du couple appliqué sur l arbre et le courant d excitation de la roue polaire nécessaires, puis on calculera le rendement de l alternateur. L alternateur étant relié au réseau industriel, la fréquence est donnée par celui-ci. La roue polaire ayant 4 pôles, la vitesse de rotation est donc imposée par le réseau à n tr/mn, soit une vitesse angulaire de Ω 157,1 rad/s. Pour U 220 et cosϕ 1 donnés, les valeurs de la puissance, calculées par fonction du courant : 0, 762, 1 524, Procéder à l essai et renseigner le tableau des relevés. Ensuite, commenter vos résultats. P 3 U I cosϕ, donnent en Garnero 5 MIE-TCER-TP-5.doc

6 Poids de la masse mobile P 20 TP n 5 Génératrice synchrone (alternateur) AL 2 Induit AL 1 Excit A Rh P T abs P x l Mcc 3 M 4 M 2 M 1 M n i exa 1 A 2 A Roue polaire A 2 Exc AL 4 U 1 2 K Synchronoscope A 3 R S T Réseau triphasé réglable Alimentation sur roulettes AL 5 Réseau Pupitre Moteur d entrainement Excitatrice U 220 Cos(ϕ) 1 f 50 Hz (n tr/mn Ω 157,1 rad/s) I T M I exa P élec P méca η (A) (m) (A) () () (%) ) Mettre en marche AL 1, puis régler Rh pour que l ampèremètre A 1 indique I exm 0,8A 2 ) Mettre en marche AL 2 puis la régler pour que le tachymètre indique n 1 500tr/mn. érifier le sens de rotation pour que la barre «monte» quand le moteur accélère 1. Si ce n est pas le cas, ramener AL 2 à zéro, permuter deux fils sur l induit puis remonter à tr/mn. 3 ) Mettre en marche AL 4, puis la régler pour que le voltmètre 1 indique ) Mettre ne marche AL 5 puis la régler pour que le voltmètre 2 indique aussi ) Observer le synchronoscope et vérifier la concordance de l ordre des phases (feux battants). Si la concordance n est pas bonne (feux tournants), permuter deux phases du réseau. 6 ) Ajuster AL 2 pour que la vitesse de rotation donne la bonne fréquence, quand les feux s éteignent, fermer le contacteur K pour procéder au couplage. 7 ) Régler la masse mobile sur la première valeur désirée de T M (ce qui fait «descendre» la barre). Augmenter AL 2 pour que la barre «remonte» à l équilibre. Régler AL 4 pour que cosϕ 1 (lu directement sur la pince multifonctions) Si le cosϕ est inductif, il faut le compenser en augmentant AL 4, si le cos ϕ est capacitif, il faut la diminuer. Quand à la fois le couple et facteur de puissance sont corrects, relever toutes les valeurs. 8 ) Décaler la masse mobile sur la 2 ème valeur désirée de T M et reprendre comme au 7, puis faire ensuite la 3 ème mesure. Une fois terminé l arrêt se fait dans l ordre inverse de la mise en marche : - réduire un peu AL2 puis ouvrir le contacteur K - Réduire AL 2 et AL 4 à zéro - Réduire AL 1 à zéro 1 Attention Pour une génératrice balance pour que la barre «monte», il faut que la rotation soit dans le même sens que la barre. Pour un moteur balance, pour que la barre «monte», il faut que la rotation soit en sens inverse de celle de la barre. Garnero 6 MIE-TCER-TP-5.doc