Machines courant alternatif Plate forme 3E Électricité Electronique Electrotechnique C E S I R E Université J Fourier Grenoble

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Niveau: Supérieur
Machines à courant alternatif - 1 Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J Fourier Grenoble Machines à courant alternatif Partie théorique 1 - Le courant alternatif triphasé Toute l'électricité industrielle (à plus de 99%) est produite sous forme de triphasé alternatif parce que : - les alternateurs ont un excellent rendement (>98%) - le transport de l'énergie électrique peut se faire à moindre coût - le triphasé est plus facilement redressé que le monophasé (pour l'alimentation en courant continu d'appareils transistorisés ou de moteurs à courant continu) - le triphasé permet la création de champs magnétiques tournants à la base des moteurs asynchrone et synchrone (réciproque de l'alternateur) 1-1) Définition du triphasé (équilibré, direct) Dans une installation triphasée BT (basse tension), la prise de terre comporte 3 fiches de phase, 1 fiche neutre (souvent absente) et 1 fiche de terre. Pour un système de tensions triphasé, équilibré, direct, les 3 tensions entre les 3 phases et le neutre, dites tensions simples, sont données par : v1 = V Ê 2 cos(?t+?) pour la phase 1 v2 = V Ê 2 cos(?t-2pi/3+?) pour la phase 2 v3 = V Ê 2 cos(?t+4pi/3+?) pour la phase 3 ou V est la valeur efficace 1 2 3 N T v1

  • courant alternatif

  • loi d'ohm en triphasé prenons

  • court circuit

  • tension

  • loi de lenz

  • récepteur triphasé

  • fiche neutre


Publié le : mercredi 30 mai 2012
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Source : physique-eea.ujf-grenoble.fr
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Machines
à courant alternatif -
1
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
Machines à courant alternatif
P
a
rti
e
th
é
o
riqu
e
1
-
Le
courant
alternatif
triphasé
Toute
l'électricité
industrielle (à plus de 99%) est
produite
sous forme de
triphasé
alternatif parce
que :
- les alternateurs ont un
excellent
rendement (>98%)
- le tran
sport
de
l'énergie
électrique
peut
se faire à moindre coût
- le
triphasé
est plus
facilement
redressé que le monophasé
(pour
l'alimentation
en courant
continu d'appareils
transistorisés
ou de moteurs à courant continu)
- le
triphasé
permet la création de champs
magnétiques
tournants
à la base des moteurs
asynchrone et synchrone (réciproque de l'alternateur)
1-1)
Définition
du
triphasé
(équilibré,
direct)
Dans une installation triphasée BT (basse tension), la prise de terre comporte 3 fiches de phase, 1
fiche neutre (souvent absente) et 1 fiche de terre.
Pour un
système
de tensions
triphasé,
équilibré,
direct, les 3 tensions entre les 3
phases
et le neutre,
dites tensions simples, sont données par :
v
1
= V
2
cos(
ϖ
t+
φ
)
pour
la phase 1
v
2
= V
2
cos(
ϖ
t-2
π
/3+
φ
)
pour
la phase 2
v
3
= V
2
cos(
ϖ
t+4
π
/3+
φ
)
pour
la phase 3
ou V est la valeur
efficace
1
2
3
N
T
v1
v2
v3
3 phases
120°
30°
V1
V2
V3
U
1
2
=
V
1
-
V
2
ϖ
t
120°
-
V
2
i1
i2
i3
Dans la
représentation
de Fresnel elles
apparaissen
t sous la forme de 3
complexes
1
V
r
,
2
V
r
,
3
V
r
tournant
à la vitesse
ϖ
rad/sec et v
1
est la partie
réelle
de
1
V
r
1
V
r
= V
2
e
j(
ϖ
t+
φ29
2
V
r
= V
2
e
j(
ϖ
t-2
π
/3+
φ
)
3
V
r
= V
2
e
j(
ϖ
t-4
π
/3+
φ
)
Machines
à courant alternatif -
2
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
1
V
r
+
2
V
r
+
3
V
r
= v
1
+v
2
+v
3
=0
Les
tensions
entre
f
ils
de phases
(
12
U
r
=
1
V
r
-
2
V
r
, ...)
sont
appelées
tensions
composées
de valeur
efficace
U,
les
tensions
entre
fils
de phase et
neutre,
tensions
simples
V. Les courants dans
un
fil
de l
igne
sont
notés
I,
les
courants de phases
J
(enroulements
statoriques
d'un
moteur, ...).
On démontre
facilement
que U=
3
V car U=2V cos30°.
Si
V=220 volts, on a U=
3
220 =
380Volts.
Un récepteur
triphasé
(composé de 3
bobinage
s (enroulements) en
général)
branché sur le réseau
triphasé
,
peut
être
alimenté
en étoile ou en
triangle
:
1-2)
Montage
étoile
Si
la
charge
est
équilibrée
1
V
r
+
2
V
r
+
3
V
r
=0 entraîne que
1
I
r
+
2
I
r
+
3
I
r
=0, donc
pas
de courant dans le
neutre (qu'on
peut
alors
supprimer,
i
1
+i
2
+i
3
=i
n
=0 ). Les courants i
1
, i
2
et i
3
ont
même
valeur
efficace
et sont déphasés du
même
ang
le par
rapport
à v
1
, v
2
, v
3
.
1-3)
Montage
triangle
Si
la
charge
est
équilibrée
1
V
r
+
2
V
r
+
3
V
r
=0 entraîne que
1
J
r
+
2
J
r
+
3
J
r
=0. Les courants j
1
, j
2
et j
3
ont
même
valeur
efficace
et sont déphasés de
π
/6 par
rapport
aux
courants de
lignes
i
1
, i
2
, i
3
.
Tableau des courants et des
tensions
de
fonctionnement
suivant
le
montage
:
Couplage
Courant dans une phase
Tensions aux bornes
d'une phase
Etoile
Triangle
I
I
/
3
U
/
3
U
(U est la tension composée du réseau et I le courant dans un fil de
ligne)
Machines
à courant alternatif -
3
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
1-4)
Puissance
en
triphasé
1
2
3
I
I
U
V=U/|3
1
2
3
U
I
J
J=I/|3
V
C'est en étoile que
l'enroulement
(phase) est soumis à la tension la plus
faible.
La puissance active est la somme des 3 puissances actives sur
chacune
des phases:
Etoile
: P=V
1
J
1
cos
ψ
1
+ V
2
J
2
cos
ψ
2
+ V
3
J
3
cos
ψ
3
= 3 V J cos
ψ
pour
un
système
équilibré
=
3
U I cos
ψ
(en
watt).
De
même
la puissance réactive Q = 3 V J sin
ψ
(en VAR : volt-ampère réactif) et la puissance
apparente
S = 3 V J (en VA : volt-ampère).
Triangle
: P = 3UJ cos
ψ=
3
UI cos
ψ
et Q =
3
UI sin
ψ.
1-5)
Loi
d'Ohm
en
triphasé
Prenons
comme
récepteur
triphasé
les 3 enroulements (
statoriques)
d'un moteur alternatif à l'arrêt
(c'est-à-dire sans fcem) (synchrone ou asynchrone) montés en étoile. Reliés
aux
3
phases
du réseau
de tensions
1
V
r
,
2
V
r
,
3
V
r
et courants
1
J
r
,
2
J
r
,
3
J
r
, ils
présentent
chacun une résistance R et une self L,
mais chaque enroulement
présente
un
coefficient
d'induction mutuelle
M
avec les 2 autres. Par
symétrie de construction, ces coefficients sont identiques d'un enroulement à l'autre.
Si
bien que le
flux
Φ
1
reçu par
l'enroulement
1 (phase 1)
peut
s'écrire
Φ
1
= L j
1
+
M
j
2
+
M
j
3
et si le
régime
est
équilibré
j
2
+ j
3
= -j
1
et
Φ
1
= (L-M)j
1
qui
peut
s'écrire
Φ
1
= L' j
1.
Ainsi la loi d'Ohm en instantané (convention récepteur) V=E+RI,
pour
la phase 1 est
V
1
-
d
Φ
1
/dt = Rj
1
ou en alternatif
(représentation
complexe)
1
V
r
- j
(L-M)
ϖ
1
J
r
= R
1
J
r
et les 3
phases
obéissent
à la
même
loi d'Ohm :
V
r
= ( R + j (L-M)
ϖ
)
J
r
= ( R + j L'
ϖ29
J
r
1-6)
Diagramme
de
la
réactance
synchrone
d'un
alternateur
Si
l'on considère maintenant les 3 enroulements
statoriques
d'un alternateur, chacun étant le
siège
d'une fem
29
Ε
,
Ε
,
Ε
(
3
2
1
r
r
r
r
E
due au
défilement
du rotor inducteur aimanté devant ces 3 enroulements
décalés
de 120°, la loi d'Ohm dans la convention
générateur
sera :
V
r
=
E
r
- (R +
jL
ϖ
)
J
r
=
E
r
- (R +
jX)
J
r
où X est appelée
réactance
sync1hrone d'une phase
statorique de l'alternateur.
Cette
modélisation,
en
triphasé,
d'une phase statorique (les 2 autres
phases
sont soumises à la
même
équation d'Ohm,
V
r
,
E
r
, et
J
r
étant alors déphasés de ± 2
π
/3) est
valable
à condition que X=L
ϖ
soit
un paramètre
constant,
c'est-à-dire que la
machine
ne soit
pas
saturée.
Machines
à courant alternatif -
4
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
La caractéristique à vide de l'alternateur, c'est-à-dire sa fem E en fonction du courant
d'excitation
continu i
(magnétisation
du rotor), E(i), sature à
partir
d'une valeur E
s
.
Pour mesurer X, on effectue
un essai en court-circuit : la caractéristique J
cc
(i) est alors
linéaire
(cf.§
réaction
magnétique
d'induit
du TP
machines
à courant continu) et on
calcule
X par E/J
cc
=
|
|
R + jX
(E=ZJ
cc
)
pour
une valeur
du courant i ne donnant
pas
la saturation.
1-7)
Saturation
d'une
machine
Lorsque le
secondaire
(ou induit) d'une
machine
électrique
est en court-circuit, on constate que son
fer ne sature
pas
et qu'il y a
linéarité
du courant de court-circuit en fonction du courant inducteur.
C'est le cas :
- des alternateurs en court-cicuit
- des transformateurs de courant
(secondaire
fermé sur un ampèremètre ou sur le circuit gros
fil d'un
wattmètre)
- des moteurs asynchrones (circuit rotorique en court-circuit)
Examinons
l'alternateur dans le cas
général
:
A vide le rotor parcouru par le courant inducteur i crée un champ
magnétique
tourant
et la loi de
Lenz donne
i
E
r
= -
j
j
Φ
r
ϖ
( fem
engendrée
par
j
Φ
variable);
l'alternateur sature quand E
i
> E
s
. En
charge
il y a réaction
magnétique
de l'induit : les courants J
triphasés
statoriques
créent un champ
magnétique
tournant
en phase avec
J
r
et la loi de Lenz donne
J
E
r
= jL
ϖ
J
r
= jX
J
r
(
J
E
r
=-j
j
Φ
r
ϖ
L'état du fer dépend de la valeur du
flux
résultant qui se traduit par un
flux
magnétique
j
i
r
Φ
+
Φ
=
Φ
r
r
r
. La fem résultante dans une phase statorique est
J
R
V
J
jX
E
E
i
r
r
r
r
r
r
+
=
-
=
(figure).
Donc si E
r
est
inférieur
à E
s
, il n'y a
pas
saturation; X est un bon paramètre
constant
et le
diagramme
de la
réactance
synchrone donne des
résultats
fiables. C'est souvent le cas avec une
charge
inductive car E
r
<E
i
.
En court-circuit il n'y a
pas
saturation car
r
E
r
=
V
r
+ R
J
r
= R
cc
J
r
est
faible
: R est
faible
devant X
et le courant de court-circuit J
cc
ne
peut
pas
trop
dépasser le courant
nominal
sans risquer de
griller
les enroulements (
pertes
Joule: 3RJ
2
).
Cette
linéarité
du courant
secondaire
en fonction du courant primaire, est utilisée dans les
transformateurs de courant dont le secondaire
peut
être considéré en court-circuit parce que fermé
sur un ampèremètre. Cela permet de mesurer des courants alternatifs élevés (>5A)
1-8)
Mesure
de
puissances
en
triphasé
On utilise en
général
la méthode dite des 2
wattmètres
qui permet de mesurer à la fois la puissance
active P
(même
si le
régime
est
déséquilibré)
et la puissance réactive Q (seulement si le
régime
est
équilibré).
charge
source
W1
W2
J1
J2
J3
V1
V2
V3
Machines
à courant alternatif -
5
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
Un
système
astucieux
de commutateur permet d'utiliser un seul
wattmètre
pour
les 2
positions.
Rappelons
qu'en monophasé, un
wattmètre
traversé par le courant
J
r
et soumis à la tension
V
r
,
mesure la puissance active W = V J cos
φ
= R(
)
J
V
r
r
R => partie
réelle
de ...
Dans la
position
1 le
wattmètre,
traversé par le courant
1
J
r
et soumis à la tension composée
1
V
r
-
3
V
r
,
indique une puissance W
1
= R{(
1
V
r
-
3
V
r
)
1
J
r
}
Dans la
position
2 le
wattmètre,
traversé par le courant
2
J
r
et soumis à la tension composée
2
V
r
-
3
V
r
,
indique une puissance W
2
= R{(
2
V
r
-
3
V
r
)
2
J
r
}
Pour un
système
quelconque
sans fil de neutre, ou
équilibré
avec neutre, on a
1
J
r
+
2
J
r
= -
3
J
r
soit W
1
+ W
2
=
)
(
)
(
)
(
3
3
2
2
1
1
J
V
R
J
V
R
J
V
R
r
r
r
r
r
r
+
+
= P puissance active (en
watt)
La mesure de la puissance réactive (en
régime
équilibré
seulement) se fait par
Q =
3 (W
1
- W
2
)
En effet W
1
- W
2
=
)
(
2
3
2
2
1
3
1
1
J
V
J
V
J
V
J
V
R
r
r
r
r
r
r
r
r
+
-
-
Or
1
1
J
V
r
r
= P/3 en
régime
équilibré,
ce qui entraîne que W
1
- W
2
= R
)
(
1
2
3
J
J
V
r
r
r
-
Mais
2
J
r
-
1
J
r
=
3
j
3
J
r
d'où W
1
- W
2
=
3
R{
3
3
J
V
r
r
} =
3
V J sin
φ
= Q /
3
Machines
à courant alternatif -
6
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
M
ac
hin
es
a
c
o
ur
a
nt
a
lt
e
rn
a
tif
PARTIE PRATIQUE :
Mécano
Leybold
Tout
le TP est presque uniquement qualitatif : le compte-rendu sera d'autant plus
clair
qu'il
comportera de
nombreux
schémas, dessins et graphes. On se servira
pour
les montages de la
documentation Leybold.
Cette séance est destinée à vous
familiariser
avec le fonctionnement d'un alternateur ou d'un moteur
électrique.
Le but des trois séances sur les
machines
électriques (courant continu et alternatif) est
d'apprendre quelques rudiments
d'électrotechnique.
Il n'est donc
pas
obligatoire
de faire
toutes
les
manipulations
proposées
dans le T.P. mais bien plus
important
d
'aller
à son
rythme
et de bien
assimiler
les notions abordées.
L'objectif
est de répondre à quelques interrogations quotidiennes :
- comment
produit
on
l'énergie
électrique
dans les centrales
électriques?
- comment
marche
un moteur à champ tournant?
Il est bon, au terme du TP, de retenir au
minimum
:
- comment le courant
électrique
triphasé
est il
produit?
- les
principes
de bases d'un moteur synchrone, d'un moteur asynchrone
- comment l'on
peut
produire un champ
magnétique
tournant?
- les notions de
gliss
ement, de
triphasé
équilibré
ou non, de déphasage.
1
-
Etude
d'un
alternateur
triphasé
1-1)
Construction
d'un
alternateur
triphasé
Construire un alternateur
triphasé
à pôles internes
(cf.p48 doc. Leybold)
- rotor bipolaire
alimenté
en continu (1A) sur les
bagues,
entraîné par un moteur universel
alimenté
par un auto-transformateur branché sur le réseau
-
stator
comportant
3 pôles à 120° formant les 3
phases
(attention
à la courroie d'entraînement du
rotor, centrer les pièces polaires à
l'aide
du disque en
aluminium).
1-2)
Montage
étoile
(cf.p50
doc.
Leybold)
On
construit
un neutre en reliant entre elles 3 extrémités
analogues
des 3 enroulements : les 3
phases
statoriques
sont alors montées en étoile.
a
) Alternateur à vide (il ne débite
pas)
Pour une vitesse de rotation N=1000 tr/mm (mesurée à l'
oscillo
et
vérifiée
avec le
stroboscope),
mesurer les déphasages entre les 3 tensions induites dans les 3 bobines du
stator.
Mesurer
les
tensions simple (entre neutre et phase) et composée (entre
phases
) avec un voltmètre alternatif.
Montrer
que l'on devrait trouver un facteur
3
, est-ce le cas ?
Si
non pourquoi ? Le
rapport
des
tensions crête à crête est il plus proche de
3
.
Mesurer
les tensions simples au voltmètre en fonction de la vitesse de rotation (mesurées à l'
oscillo
N
1000tr/mn). Tracer le graphe
correspondant
(avec la vitesse en tr/mn) : la loi de Lenz est-elle
vérifiée?
b
) Alternateur en
charge
(il débite un courant )
Alimenter en étoile le
rhéostat
triphasé.
Pour N=1000tr/mn mesurer la tension E à vide. En
maintenant N=1000tr/mn mesurer la tension simple V et le courant de
ligne
I en fonction de la
charge
Machines
à courant alternatif -
7
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
(faire varier la résistance du
réhostat,
5points).
Pourquoi la
nératrice en
charge
ralentit ?
Vérifier
qu'une phase
peut
être
modélisée
sous forme d'un
générateur
de fem E et
d'impédance
interne r+jX
en
appliquant
la loi d'Ohm en alternatif :
E
r
=
V
r
+ r
I
r
+ jX
I
r
où r (connue) est la résistance d'un enroulement et X, que l'on
calculera,
sa
réactance.
Montrer
que le courant de neutre est nul si la
charge
triphasée est
équilibrée.
Mesurer
le courant de
neutre (avec un ampèremètre monté entre le neutre de l'alternateur et
celui
du
rhéostat)
en
charge
équilibrée
maximum
et lorsqu'on
déséquilibre
la
charge
en court-circuitant une phase du
rhéostat
par
exemple.
Conclusion ?
1-3)
Montage
triangle
On monte les 3 enroulements
statoriques
en
triangle
en reliant en série les
enroulements : il y a 3
liaisons à établir.
a
) Alternateur à vide (1000 tr/mn)
Mesurer
les tensions entre 2
phases
et le courant dans une phase. Quelle devrait être la valeur du
courant ? Comparer les tensions avec le
montage
étoile
pour
la
même
vitesse de rotation.
b
) Alternateur en
charge
Alimenter le
rhéostat triphasé
équilibré
monté en
triangle.
Pour N=1000tr/mn et une
charge
maximum,
mesurer la tension entre
phases
et le courant de
ligne.
Comparer les 3 courants de
ligne.
2
-
Moteurs
à
courant
alternatif
triphasé
(moteurs
synchrone
et
asynchrone)
2-1)
Champ
tournant
"mécanique"
Créer un champ
tournant
avec 2 aimants permanents
fixés
sur un fer plat que l'on fait tourner à la
main (aucun champ
tournant
n'est créé de cette façon là dans un moteur industriel : ici on ne procède
ainsi que par intérêt
pédagogique).
Monter
sur
l'axe
et observer :
-
l'aiguille
aimantée
avec
bague
de
centrage
(moteur synchrone)
-
le rotor bipolaire. Comment se comporte-t-il ? Le couple qui paraît l'entraîner est-il dû à
l'induction rémanente ou à la recherche de la réluctance
minimum?
- le rotor multipolaire. Tourne-t-il?
- ce
même
rotor multipolaire dont a court-circuité les enroulements par une
bague
clipsée sur
les lames du collecteurs. Pourquoi tourne-t-il? (moteur asynchrone)
- le rotor dit à
cage
d'écureuil
(cf.p11 doc. Leybold) de moteur asynchrone.
Observer le
glissement
(retard de vitesse du rotor sur le champ
tournant).
- le disque
d'aluminium
servant au
centrage
: pourquoi ne tourne-t-il pas?
2-2)
Facultatif
:
Champ
tournant
"électrique"
Attention DANGER : toute connexion sera faite hors tension !!
Il est souhaitable de lire les notions de "champ
tournant"
paragraphe 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 et 1,5
de la partie théorique du T.P. Banc d'essais
ELWE.
Démontrer que
l'alimentation
des 3 bobines
statoriques
décalées
de 120°, par 3 tensions
triphasées
déphasées de 120°, permet de créer un champ
magnétique
radial
qui tourne à la
fréquence
du courant
dans les bobines.
On fera chuter les tensions simples (136V) du secteur
triphasé
jusqu'à 10V environ à
l'aide
du
rhéostat triphasé
en mettant en série le
rhéostat
à pleine résistance avec
l'enroulement
d'une phase.
Alimenter en
triangle
les 3 bobines du
stator
montées sur 3 pieces polaires
décalées
de 2
π
/3.
Machines
à courant alternatif -
8
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique,
Electrotechnique)
C.E.S.I.R.E.
– Université J Fourier
Grenoble
Monter
sur
l'axe
le rotor à
cage
d'écureuil.
Pour un courant de
ligne
égal
à 1.4A mesurer la puissance
délivrée
avec un
wattmètre.
Mesurer
le nombre de tours effectués au
démarrage
en 5 secondes.
Refaire
les mesures avec une
alimenta
tion en étoile et la
même
valeur du courant de
ligne.
Les
vitesses de
démarrage
sont elles dans le
rapport
des puissances
délivrées ?.
En réalité si le moteur
était branché directement au réseau EDF les tensions simples seraient imposées et non les courants
comme
dans le cas
présent.
Quel moteur serait alors le plus
puissant ?
Justifier votre réponse.
Que se
passe-t-il
si on intervertit 2
phases
(
après
mise
hors
tension
SVP!
) ?
Monter
sur
l'axe
l'aiguille
aimantée.
A
quelle
vitesse devrait
elle
tourner ?
M
ettre sous tension et
mesurer au
stroboscope
cette vitesse. Pour fabriquer un vrai moteur synchrone, on
pourrait
prendre
comme
rotor le rotor bipolaire
alimenté
en continu par ses
bagues,
mais on
n'arriverait
pas
à le
démarrer
(50 tr/s c'est beaucoup). En effet un tel moteur doit être
amené
au synchronisme (rotor à la
vitesse du champ
tournant)
pour
pouvoir développer un couple : ce
démarrage
ne
peut
donc se faire
qu'à vide (moteur n'entraînant aucune
charge).
Le moteur synchrone
présente
aussi
l'inconvénie
nt de
n'être à vitesse
variable
que si la
fréquence
du réseau
d'alimentation
est
variable.
Mais il
présente
l'énorme
avantage
d'avoir un
excellent
rendement.
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