tp barriere

CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 1 -

Fonctions du produit S21 Alimenter en énergie

S22 Convertir l'énergie S221 Les convertisseurs statiques d'énergie

Comportement des systèmes S31 La chaîne d'énergie S311 Les sources d’énergie électrique S312 La conversion statique d'énergie

OBJECTIF DE LA SEANCE

Compétences attendues

Au terme de la séance, vous devez savoir :

établir les flux d’énergie et identifier les actionneurs et préactionneurs

utilisés dans la chaîne d'énergie,

identifier les constituants du réseau d’alimentation, exprimer leurs

caractéristiques, établir les relations entrée / sortie,

effectuer des calculs et des mesures de courants, tensions, puissances,

extraire de la documentation fournie les valeurs numériques

caractéristiques des solutions techniques retenues.

Problème technique

La barrière possède un moteur asynchrone triphasé. Comment est-il donc

possible de l’alimenter en monophasé par une simple prise de courant ?

Pour une utilisation sur une route de montagne isolée permettant l’accès à un

site protégé, serait-il même possible de l’alimenter par une batterie 12 V ?

Démarche : On se propose de :

observer l’énergie électrique disponible sur la source monophasée (prise de courant) ;

observer l’énergie électrique triphasée alimentant le moteur de la barrière ;

mesurer les signaux monophasés produits par un onduleur à partir d’une alimentation continue ;

conclure sur la faisabilité de ces conversions d’énergie, en termes de formes et de puissances.

MISE EN SITUATION ET ANALYSE FONCTIONNELLE

La barrière SYMPACT est un dispositif de contrôle d'accès qui possède différentes

configurations lui permettant de s’adapter à différents contextes d’utilisation :

parkings payants, parcs privés, campings ou utilisation autoroutière (péages et télé

péages).

La montée et la descente de la barrière sont pilotées par un moteur asynchrone

triphasé par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse et d’un système de

transformation de mouvement. Un variateur de vitesse fournit la loi de commande du

moteur pour permettre le pilotage de la position.

Le pupitre de commande ci-contre permet de visualiser le trajet de l’énergie

électrique, de la source au récepteur (actionneur) :

COURS

TD

TP

Centre d’intérêt 5:

ALIMENTER et DISTRIBUER

l’énergie

Conversion d’énergie électrique :

L’ALIMENTATION DE LA

BARRIERE SYMPACT

Sciences Industrielles pour l’Ingénieur

Démarche

ingénieur

dans ce TP :

évaluer

/réduire

l'écart 1


QUESTION 1 : - A partir de ces informations, nommer dans la chaîne d’énergie ci-dessous les constituants des fonctions ALIMENTER, DISTRIBUER et CONVERTIR. - Identifier et caractériser précisément les grandeurs d'entrée et de sortie de la fonction DISTRIBUER.

MISE EN GARDE : L’OBJET TECHNIQUE QUE VOUS ALLEZ ETUDIER EST DANGEREUX.

SOYEZ PRECAUTIONNEUX DANS SA MISE EN ŒUVRE ET DANS SA MANIPULATION.

FAITES TOUJOURS VERIFIER LE MONTAGE PAR LE PROFESSEUR AVANT TOUTE MISE

SOUS TENSION.

PREMIERE PARTIE : LA CONVERSION MONOPHASE TRIPHASE

1/ Prise en main

- Dans le menu "Démarrer", accéder au système "Barrière Sympact", puis lancer le logiciel de communication.

- Faire "Piloter et mesurer" puis "Piloter". Etablir la connexion avec le variateur.

- Afin que le moteur soit en permanence alimenté, modifier les paramètres :

— fermeture et ouverture : 20 Hz ; — maintiens : 10 Hz.

CHAINE D’ENERGIE

ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

ACTIONNER

LA

BARRIERE

CHAINE D’INFORMATION

Demande de

mouvement ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER

Informations de

marche /

dysfonctionnement

? … ? … ? … Mécanisme

Barrière en

position initiale

Barrière en

position finale

Energie ?…

Energie ?… Energie ?… Energie ?…

Ordres de

mouvement


2/ Mesure des grandeurs électriques nécessaires en entrée de la chaîne d’énergie

Câblages

— HORS TENSION, placer une SONDE DIFFERENTIELLE (atténuation 1/200) entre phase (L) et neutre (N) de l’alimentation monophasée ; connecter la sonde à l’entrée 1 de l’oscilloscope ;

— placer une PINCE AMPEREMETRIQUE (préalablement remise à zéro avec la molette) sur le fil de phase ; connecter la pince à l’entrée 2 de l’oscilloscope.

FAIRE IMPERATIVEMENT VERIFIER VOTRE CÂBLAGE PAR LE PROFESSEUR.

Mesures

QUESTION 2 : - Manœuvrer la barrière, la laisser en position ouverte. Régler l’oscilloscope et relever les mesures suivantes (pour Vmono = valeur efficace, servez-vous du menu "Measure" de l’oscilloscope) :

Tension Vmono T = f = Vmono max = Vmono =

Courant Imono T = f = Imono max =

Le courant n’étant pas sinusoïdal, on doit calculer la puissance active Pmono consommée par le système en s’appuyant

sur l’expression générale T

0moy dtv(t).i(t)..

T1P .

- Afficher le signal produit v(t) x i(t) (menu "Math"), puis relever sa valeur moyenne Pmono. Est-elle cohérente avec les 30 à 60 W annoncés par le constructeur ?

3/ Mesure des grandeurs électriques alimentant le moteur (en sortie du variateur)

Câblages

— HORS TENSION, placer la sonde différentielle entre phase (L1) et neutre artificiel (N) à l’entrée du moteur ;

— placer la pince ampèremétrique sur le fil de la phase 1 (entre L1 et U).


Mesures

QUESTION 3 : - Manœuvrer la barrière, la laisser en position ouverte. - Quelle forme a la tension ? - Quelle forme semble-t-elle avoir en moyenne ? - Quelle forme a le courant ? On a accès à une image filtrée de la tension en plaçant la borne rouge de la sonde sur LF1 à la place de L1.

- Faire cette modification de câblage, puis relever les mesures suivantes :

Tension Vtri1 T = f = V tri1 max = V tri1 =

Courant Itri1 T = f = I tri1 max = I tri1 =

- Expliquer la valeur de la fréquence relevée.

- Relever le déphasage entre V tri1 et I tri1. En déduire la puissance active Ptri consommée par le système dans

cette situation, en vous appuyant sur la formule : Ptri = 3 .Vtri1 .Itri1 . cos .

4/ Synthèse des résultats

QUESTION 4 : - Déduire des calculs précédents le rendement de la conversion d’énergie électrique monophasé triphasé. - Synthétisez cette conversion ci-après en précisant les grandeurs en entrée / sortie :


3/ SI VOUS AVEZ LE TEMPS : observation du réseau triphasé créé et comportement à vitesse variable

QUESTION 5 : - Placer 3 pinces ampèremétriques sur les 3 phases d’alimentation du moteur. Visualiser le résultat à l’oscilloscope. - Relever le déphasage entre chacun des courants d’alimentation. - Modifier les paramètres d’ouverture / fermeture en choisissant des fréquences de 30 Hz. - Manœuvrer la barrière.

- Comment peut-on donc faire varier la vitesse de rotation d’un moteur asynchrone triphasé ?

DEUXIEME PARTIE : CONVERSION CONTINU MONOPHASE

1/ Intérêt et objectif

L’ONF (Office National des Forêts) souhaite placer une barrière sur

une route de montagne isolée, afin de contrôler l’accès des voitures à

un site naturel fragile. L’absence de réseau électrique à proximité

impose une alimentation continue par panneau solaire + batterie.

Le constructeur de la barrière indique une consommation de 60 W

en fonctionnement, 30 W en veille. On se propose donc de vérifier

la possibilité d’utiliser un convertisseur de la gamme XPower Inverter

de XANTREX.

2/ Choix du convertisseur et principe de la conversion

QUESTION 6 : - Dans la documentation technique en Annexe, choisir un modèle en fonction de la puissance et justifier ce choix.

Le principe de la conversion et les grandeurs associées sont les suivants

(Rcharge symbolise ici la chaîne d’énergie de la barrière) :

- Pour une tension de sortie Vs de valeur efficace 230 V et une puissance nominale de 150 W, déterminer la valeur efficace du courant de sortie Is pour une charge purement résistive.

Convertisseur : variateur

de vitesse ATV 31

Monophasé :

Pmono =

Triphasé :

Ptri =

Vmono max =

Imono max = L1

L2

L3

N

MAS

3~ Vtri1 =

Itri1 =

= 12 V


- Que vaut alors la valeur du courant Ibat en supposant un rendement du convertisseur Vs.Is/Ubat.Ibat = 0,9 (soit 90 %) ?

3/ Caractérisation du signal de sortie

Pour la manipulation, la batterie sera remplacée par une alimentation 12 V, 20 A.

QUESTION 7 : - Réaliser HORS TENSION le montage suivant permettant de visualiser la forme d’onde de la tension de sortie à vide à l’oscilloscope. Il sera impératif d’insérer une SONDE DIFFERENTIELLE (atténuation 1/200) entre le convertisseur et l’oscilloscope.


- Visualiser Vs(t). Vous attendiez-vous à cette forme d’onde ? Déterminer sa fréquence et sa valeur efficace (utiliser le menu "Measure" de l’oscilloscope). - Cette tension convient-elle à l’alimentation de la barrière (justifier) ?

4/ Rendement du convertisseur pour un point de fonctionnement

QUESTION 8 : - Afin d’évaluer le rendement du convertisseur et de le confronter à celui annoncé par le fabricant, brancher une lampe à incandescence 230 V – 40 W en sortie (utiliser la boîte adaptatrice).

- Visualiser simultanément à l’oscilloscope la tension et le courant dans la charge. Le courant sera prélevé à l’aide d’une PINCE AMPEREMETRIQUE (préalablement remise à zéro avec la molette).

Du fait des parasites, la valeur efficace du courant ne peut pas être déterminée correctement par l’oscilloscope.

On utilisera donc pour la question suivante l’expression valable pour ce signal :

T

haut niveau du durée.axIm.Iseff

22

- Calculer la puissance Ps fournie au récepteur à partir du relevé à l’oscilloscope.

- Relever Ibat, en déduire la puissance Pbat en entrée du convertisseur.

- En déduire le rendement du convertisseur. Comparer à la valeur donnée par le constructeur (voir Annexe).

5/ Conclusion

QUESTION 9 : Le convertisseur choisi peut-il donc être utilisé dans la chaîne d’alimentation de la barrière ?

6/ SI VOUS AVEZ LE TEMPS : Contenu harmonique de la tension monophasée produite par l'onduleur

Le contenu harmonique est un élément important de tout générateur alternatif, notamment lorsqu'il est appelé à

fonctionner :

Alimentation

continue

12 V, 20 A

Adaptateur

prise allume-

cigare

Adaptateur

bornes de

sécurité Ubat

Ibat

Ubat

Ibat

Vs

=


- en connexion avec le réseau de distribution électrique (pas le cas ici) ; les harmoniques peuvent provoquer des

échauffements et des déclenchements intempestifs des protections ;

- dans un environnement sensible aux perturbations électromagnétiques : restitution du son ou de l'image,

télécommunications.

Affichage du spectre en amplitude de la tension

QUESTION 10 : - Afficher à l'oscilloscope une vingtaine de périodes de la tension Vs. - Afficher la FFT (Fast Fourier Transform = Transformée de Fourier Rapide) de cette tension grâce au menu "Math", en choisissant la fenêtre de Hanning. - Relever le spectre en amplitude sous la forme de raies :

Interprétation

Pour juger de la qualité de la tension sinusoïdale produite, on calcule le taux de distorsion harmonique :

21

2

2(%) 100n

nA

ATHD

où A1, A2, … sont les valeurs efficaces des harmoniques de tension de rang 1 (fondamental), 2, …

Lorsque le THD est supérieur à 5%, l'énergie produite est polluée par les harmoniques.

QUESTION 11 : - Calculer le THD sur les 14 1ers harmoniques.

- Conclure sur la pollution électromagnétique générée par ce système et sur les inconvénients qu'elle implique.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Rang de l'harmonique

Amplitude (V) : attention, les amplitudes sont données en dB : Amplitude[dB] = 20.log(Amplitude[V])


ANNEXE : Documentation technique des convertisseurs XPower Inverter de XANTREX

tp barriere

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