JANVIERFÉVRIER 2005 TECHNOLOGIE 135 75 élec PÉDAGOGIE LA MAQUETTE MINHARM
JANVIERFÉVRIER 2005 TECHNOLOGIE 135 75 élec PÉDAGOGIE LA MAQUETTE MINHARMOTRIS La maquette Min-Harmotris 1 2 permet de reproduire et d’étudier les phénomènes de perturbations des réseaux électriques rencontrées en milieux industriel et domestique sur un réseau triphasé ainsi que d’aborder les notions de relèvement de facteur de puissance. L’équipement pédagogique se présente sous la forme d’une armoire électrique, prévue pour être installée sur une table ou bien sur un chariot mobile. Elle comprend des charges d’éclai- rage de type halogène, à ballast magnétique, à vapeur de mer- cure, à ballast électronique et un spot halogène. Les problèmes d’échauffement dans le neutre liés aux har- moniques de rang 3 seront résolus grâce à un filtre passif anti- harmonique intégré à l’équipement (c’est le TP décrit dans cet article). L’équipement Min-Harmotris constitue donc un support pri- vilégié aux thématiques pédagogiques suivantes : Mesures d’harmoniques sur des charges linéaires, non linéaires et linéaires déphasantes (éclairage et mise en œuvre des remèdes) Étude de la compensation d’énergie réactive avec relèvement du facteur de puissance Étude technologique d’un parafoudre L’ADÉQUATION AVEC LES RÉFÉRENTIELS Il est important de situer le système didactique Min-Harmotris et les TP qu’il propose par rapport aux référentiels du BEP et du Bac Pro. Pour le BEP (annexe 1), on est dans l’expérimentation « Mesure sur des applications professionnelles », ce qui pose un problème. La présentation du TP doit évoquer un scénario industriel homothétique au système didactique. Pour le Bac Pro (annexe 2), avec les mêmes précautions, les compétences C2-9 et C3-1 relatives aux fonctions « Étude » et « Mise en service » sont traitées dans les activités proposées. Le TP sur le filtre passif n’est qu’une sensibilisation aux moyens qui permettent de limiter les harmoniques. En fait, c’est la notion de réseaux de communication qui est la plus novatrice dans le Bac Pro ELEEC (comme l’évoque son appellation : ÉLectro- technique – Énergie – Équipements Communicants), et c’est la cohabitation de ces derniers avec des équipements de puis- sance (actionneurs pilotés par des convertisseurs) qui conduit à traiter de la CEM (Compatibilité ÉlectroMagnétique) et de la notion d’harmoniques. Éléments de la norme La norme C15-100 conditionne, en triphasé, le dimensionnement et la protection du conducteur neutre au THDI (taux de distorsion harmonique en courant) prévisible de l’installation (le THDU de l’alimentation, quant à lui, est mesuré pour contrôle, mais est totalement indépendant du système didactique). Le paragraphe 330-1-1 de ladite norme précise quelques valeurs à prendre en compte pour les installations de distribution électrique pouvant faire l’objet de perturbations harmoniques 3 . Les TP proposés L’équipement didactique Min-Harmotris permet d’alimenter, sous diverses configurations, des charges non linéaires à l’origine de pollutions harmoniques : Lampes halogènes pilotées par gradateurs, tubes fluorescents à ballast magnétique ou électronique… ; Prise de courant 2P + T 16 A permettant de raccorder des récepteurs pollueurs (PC, automate…). La mesure des courants et l’analyse harmonique permettent de mettre en évidence les conséquences des courants déformés Min-Harmotris DIDIER MOLVEAUX1 1. Chargé de mission, avec la participation de M. Alain Picot, tous deux sont pro- fesseurs de génie électrique au lycée Joliot Curie de Dammarie les lys (77). En parfaite adéquation avec la réforme du baccalauréat professionnel ELEEC, l’auteur nous propose un article présentant de façon originale la manière d’aborder le problème de la répercussion des perturbations harmoniques sur le conducteur neutre d’une installation électrique. Le support utilisé à cet effet est un équipement didactique baptisé Min-Harmotris, présenté au dernier salon Éducatec, qui, au travers de l’ensemble des TP abordés, conduit l’élève à acquérir les savoir-faire et compétences nécessaires afin d’intervenir en professionnel sur les réseaux de distribution électrique. 1 La maquette Min-Harmotris de Schneider Electric… 2 … et son synoptique 76 TECHNOLOGIE 135 JANVIERFÉVRIER 2005 sur le facteur de puissance (dimensionnement des conducteurs, choix et réglage des protections…). Les activités élèves à base de mesures correspondent à l’étude et la mise en service, sur des configurations réalisées par commutateurs et câblage avec cordons de sécurité (les puissances installées étant faibles, un coefficient multiplica- teur 10 est obtenu artificiellement en installant 10 spires sur les circuits de mesure d’intensité). Les TP proposés en annexe 3 ne sont que des exemples d’exploitation de l’équipement didactique ; se rapportant à des contextes plausibles, ils permettent d’aborder des problèmes industriels réels. Il convient de les adapter aux élèves, en fonction des prérequis et des objectifs de formation définis. D’autres TP peuvent être imaginés, de manière à utiliser tous les types d’éclairage disponibles dans l’équipement. Le TD (annexe 4) permet, à partir d’un exemple et de relevés effectués préalablement, de représenter les puissances P, Q, D et S en perspective cavalière. Il fait référence à une salle de technologie équipée de PC et éclairée par des halogènes pilotés par gradateur. UN TP : DIMENSIONNEMENT DU CONDUCTEUR NEUTRE EN ATMOSPHÈRE POLLUÉE Ce TP est basé sur une installation triphasée constituée de rampes d’éclairage pour une petite salle de spectacle ; Pmax = 4,5 kW. L’étude portera sur deux thèmes : Système sinusoïdal équilibré puis déséquilibré, système équilibré en ondes déformées « commande par gradateur à angle de phase » Sur chaque phase sont installées 10 lampes de 150 W commandées par des gradateurs à angle de phase. Les angles 1, 2 et ϕ3 représentent les déphasages entre les vecteurs courant et tension du fondamental ; l’angle , le retard à l’amorçage, réglable sur les gradateurs à angle de phase. L’analyseur de réseau CA 8334 permet : – en mode « observation », de relever les formes d’ondes, les diverses puissances ; – en mode « diagnostic », de décomposer le signal en rangs har- moniques. Mise en évidence des conséquences sur le courant circulant dans le conducteur neutre suivant des situations types L’aspect normatif du TP réside dans deux points : – le dimensionnement de la section des conducteurs phases/neutre ; – la prise en compte du taux d’harmoniques en courant THDI pour déterminer la section du conducteur neutre. Nota : Le système Min-Harmotris ne comporte qu’une seule lampe halogène de 150 W par phase pour cette mesure ; toutefois, les tores de 10 spires utilisés pour effectuer les mesures de courant permettent la simulation des puissances annoncées dans le TP. D’autre part, ils autorisent également des mesures de courant plus adaptées à la valeur maximale des pinces MN. Il est fortement déconseillé de débrancher le neutre durant cette manipulation, notamment lors du fonctionnement avec les gradateurs, car cela peut provoquer la destruction de ces der- niers. Niveau : baccalauréat professionnel Lieu : laboratoire d’électrotechnique zone système Durée : 3 heures Objectif : dimensionnement du conducteur neutre en triphasé influence des courants harmoniques et des déséquilibres Prérequis : conversion d’énergie, gradateur à angle de phase, décomposition en série de Fourier (notions de fon- damental et d’harmoniques) L’éclairage maximal : charge triphasée linéaire et équilibrée Dans un premier temps, les gradateurs sont court-circuités, les courants sont sinusoïdaux comme les tensions d’alimentation. C31, C32 et C33 sont fermés. 3 Un extrait de la norme correspondante Taux d’harmoniques Effets prévisibles THDU < 5 % et THDI < 10 % Néant 5 % < THDU < 8 % ou 10 % < THDI < 50 % Pollution significative, effets nuisibles possibles THDU > 8 % et THDI > 50 % Pollution forte, dysfonctionnements probables THD : taux de distorsion harmonique. Calculé à partir de l’ensemble des rangs harmoniques, il permet de quantifier globalement la pollution harmonique. Ce chiffre unique permet des comparaisons et d’évaluer l’impact direct sur les récepteurs Schéma de principe 4 Les différentes configurations de l’analyseur de réseau Mise en configuration : Relier les bornes B2 et B5 (shunt de L1). Raccorder les bornes tension Vn, V1, V2, V3 de l’analyseur de réseau Qualistar CA 8334. Placer les pinces ampèremétriques MN sur les phases 1, 2, 3 (I1, I2, I3) avec les cordons 10 spires fournis (le calibre de la pince, Imax = 200 A, étant mal adapté au courant nominal de la JANVIERFÉVRIER 2005 TECHNOLOGIE 135 77 charge, on multiplie artificiellement ce dernier par 10 en faisant passer 10 spires dans la pince). Configurer l’analyseur de réseau Qualistar CA 8334 : – Branchement : pour cette séquence, l’analyseur sera configuré pour un branchement triphasé 4 fils 4 . – Paramètre de calculs : le calcul de la puissance réactive est effectué sans harmoniques. Fermer les commutateurs C1, C2, C3, C11 et C12 ; ouvrir C4, C5, C6, C7, C8, C9 et C10. Mettre sous tension en présence du professeur en fermant le sectionneur Q1. 5 Compléter les parties grisées des figures 5 , 6 et 7 avec les relevés effectués sur l’analyseur de réseau, puis le tableau récapitulatif ci-dessous. Charge linéaire équilibrée Tensions simples RMS V1, V2, V3 ≈ 226 V Phase 1 Phase 2 Phase 3 Neutre I1 = 6,5 A φ 1 = 0 uploads/Management/ 13140.pdf
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