Les cahiers de l`instrumentation n°3 (1.18 mo)

Les cahiers de l`instrumentation n°3 (1.18 mo)
Les cahiers
de l’instrumentation
Le journal d’informations pour l’enseignement
de Chauvin Arnoux et Metrix
0
n3
Reportage au lycée
Martin Luther King
La pollution des réseaux
Les outils multimédia
Novembre 2002
éditorial
sommaire
1 Université – Entreprise :
une vision commune de l’excellence
Le cursus de la première promotion du DESS
Instrumentation physique, chimique et bio-médicale
de Paris XII, baptisée promotion Daniel Arnoux, est
une excellente illustration du décloisonnement entre
l’université et l’entreprise.
Alain Kohler
Rédacteur en chef
2 La NF/EN 18.310 en question
3 Les évolutions technologiques
du mesurage
Créée il y a seulement 2 ans, votre publication “LES
CAHIERS DE L'INSTRUMENTATION” rencontre un franc
succès. Plus de 1000 adhérents, un échange de courriers
électroniques ou traditionnels avec des propositions de
TP de qualité, des questions, des encouragements, mais
aussi, des adhérents impatients de lire les numéros
suivants.
Cette année encore, notre charge commune de travail,
n’a permis la parution que d'un seul numéro de la revue.
Le problème a longuement été évoqué lors de la
dernière réunion des membres du Bureau du Club.
Tout sera donc mis en œuvre pour intensifier le rythme
de parution des “cahiers” d’une part, et améliorer
l'interactivité du Club, d’autre part.
Il est temps de passer à la vitesse supérieure !
Voici donc ce qu’il a été décidé de réaliser sur le site
Web dédié à l'enseignement.
Repenser complètement une famille
d’instruments de laboratoire en se
remémorant que les produits doivent
correspondre à des besoins techniques
mais aussi de confort d’utilisation : les
MTX Compact sont nés.
4 Pollution des réseaux :
compensation d’énergie réactive
Mettre en évidence les effets consécutifs au fonctionnement
d’une installation consommant de l’énergie réactive. Trouver
une solution matérielle pour atténuer ces effets et enfin, cibler
l’incidence économique. (Nicolas Gessen)
Adresse : www.leclubdumesurage.com
10 Les outils multimédia
au service de la formation
en électrotechnique
Rubriques générales en libre accès pour l'enseignement :
- Inscription au Club donnant lieu à l'abonnement
gratuit à la revue,
- Proposition d’articles,
- Téléchargement des numéros de la publication.
Sans jamais remplacer l’expérimentation pratique, les
outils multimédia, notamment l’outil logiciel, permettent
d’appréhender un phénomène physique tout en offrant
une large possibilité de paramétrage. (Bertrand Charier)
Rubriques réservées aux Membres du club :
- Statuts du Club,
- Téléchargement des TP parus dans la revue, dans
leur intégralité, d’autres TP non édités, des archives,
d'articles techniques pertinents,
- Demande de CD-ROM, de posters
- Téléchargement des fichiers de formation, de fiches
techniques et de glossaires,
- Liens directs vers des produits (documentation,
photos, …),
- Forum d'échanges d'idées, de réflexions, de questions
et réponses techniques,
- News en temps réel : normatives, technologiques, …
Nous pensons ainsi créer une dynamique nouvelle,
nécessaire dans ce contexte école/entreprise où la
technologie évolue rapidement, imposant ainsi un
besoin d'informations permanent.
L'ensemble de l'équipe de rédaction vous adresse ses
remerciements pour votre fidélité, votre participation
active et vos encouragements.
P.S. : vous pouvez d’ores et déjà retrouver sur, leclubdumesurage.com,
l’article de Samuel Viollin sur les tables de cuisson grand public,
dans lequel quelques erreurs s’étaient glissées lors de sa retranscription dans les cahiers n°2…
12 Reportage au Lycée Martin
Luther King :
Exploitation pédagogique
des systèmes de levage
Notre visite au lycée Martin Luther King de Bussy Saint
Georges, en région parisienne, a été pour nous l’occasion de tester un nouvel analyseur d’énergie, dans le
cadre d’un TP “classique”.
Les cahiers de l'instrumentation,
renseignements pratiques
Si vous désirez recevoir les prochains numéros et que vous
ne l'ayez pas encore fait, renvoyez rapidement le bulletin
d'adhésion au Club encarté au centre de la publication.
Prenez contact avec nous si vous désirez réagir par rapport
aux articles publiés, proposer des sujets ou même des
articles. Bonne lecture à tous.
NDLR
www.leclubdumesurage.com
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
le club
Les membres du bureau
Université-Entreprise
une vision commune
de l’excellence
Le 5 juillet 2002, M. Daniel Arnoux
(à gauche sur la photo), président
du Groupe Chauvin-Arnoux, a remis leur
diplôme aux dix étudiants de la première
promotion du Diplôme d’Etudes
Scientifiques Spécialisées en Instrumentation
physique, chimique et biomédicale, à l’Université
Paris XII – Val de Marne.
Le bureau a pour mission d'assurer le bon fonctionnement du club.
Il est composé de neuf membres.
Jean-Louis Gauchenot :
Président du "Club du Mesurage"
Directeur du Pôle Test & Mesure
de Chauvin Arnoux
jeanlouis.gauchenot@chauvin-arnoux.com
Jean-Paul Chassaing :
Président d'honneur du “Club du Mesurage”
Inspecteur Général de l'Education Nationale
Sciences et Techniques Industrielles
Roger Bordage :
Inspecteur d'Académie
Inspecteur de l'Éducation Nationale
Enseignement Techniques
Sciences et Techniques Industrielles
Christian Cagnard :
Inspecteur d'Académie
Inspecteur Pédagogique Régional
Sciences et Techniques Industrielles
Jean-Claude Mauclerc :
Inspecteur d'Académie
Inspecteur Pédagogique Régional
Sciences et Techniques Industrielles
Michel Uffredi :
Inspecteur d'Académie
Inspecteur de l’Éducation Nationale
Enseignement Techniques
Sciences et Techniques Industrielles
Le parrain et le directeur du DESS en Instrumentation physique,
chimique et biomédicale applaudissent chaleureusement
les diplômés de la première promotion.
Ouverte en septembre 2001, cette formation, dirigée
par le Pr. Christian Vauge, (à droite sur la photo) vise à
répondre aux besoins des entreprises dans tous les
domaines de l’instrumentation et du mesurage.
Son enseignement, très diversifié, privilégie le lien
Université-Entreprise, en donnant une priorité au stage
externe de qualification et en faisant un large appel à
des enseignants spécialisés des milieux professionnels.
Ce D.E.S.S. prépare aux professions mettant en oeuvre
des instruments et des techniques de mesurage dans
tous les domaines. De plus, il dispense une formation
spéciale permettant aux étudiants tentés par la création
de leur propre entreprise, d’aborder avec les meilleures
chances de succès la mise en œuvre de leur projet. Les
principaux secteurs industriels visés par le D.E.S.S. sont
les transports, l’agroalimentaire, le matériel hospitalier,
vétérinaire et paramédical.
Retrouvez toutes les informations concernant cette
formation sur le : www.univ-paris12.fr
Jean-Louis Gauchenot (Directeur de la Publication), Luc Dezarnaulds,
Alain Kohler, Jean Wauters sont membres du Bureau et du Comité
de Rédaction
Les membres du comité de rédaction
Le comité de rédaction a pour mission de vérifier que le journal
respecte sa ligne éditoriale. Il est composé de six membres.
Etienne Chouquet :
Inspecteur d'Académie
Inspecteur Pédagogique Régional
Sciences et Techniques Industrielles
Luc Dezarnaulds :
Directeur Commercial du Pôle
Test & Mesure de Chauvin Arnoux
luc.dezarnaulds@chauvin-arnoux.com
Didier Villette :
Inspecteur d'Académie
Inspecteur de l’Éducation Nationale
Enseignement Techniques
Sciences et Techniques Industrielles
Jean Wauters :
Directeur des marchés de Chauvin Arnoux
jean.wauters@chauvin-arnoux.com
Alain Kohler :
Rédacteur en Chef
Chef de Marché Enseignement
de Chauvin Arnoux
alain.kohler@chauvin-arnoux.com
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
1
Sécurité électrique
Evolution des normes
et nouvelles normes internationales
La nouvelle norme Européenne EN 50110, sur ‘‘l’exploitation des installations électriques’’, se réfère aux décrets du
14 novembre 1988 et du 16 février 1982 ainsi qu’à la
Directive UTE C 18-510.
Le Comité de normalisation a supprimé la NF C 18310,
c'est la EN 61243-3 qui fait maintenant référence en attendant les décrets d'applications en cours de rédaction.
Le V.A.T (Vérificateur d'Absence de Tension) change de
caractéristiques et de nom. Il convient maintenant de le
nommer D.D.T (Détecteur De Tension).
D'autre part, la nouvelle norme Internationale et
Européenne IEC/EN 61557 exige des caractéristiques plus
sévères et un niveau de performances élevé pour les
appareils de test d'installations électriques.
Voici les principales normes à appliquer selon le test à
effectuer :
-
PRESCRIPTION GÉNÉRALE . . . . . . .IEC/EN
RÉSISTANCE D'ISOLEMENT . . . . . .IEC/EN
IMPÉDANCE DE BOUCLE . . . . . . . .IEC/EN
CONTINUITÉ (Masses, PE,…) . . . . .IEC/EN
RÉSISTANCE DE TERRE . . . . . . . . .IEC/EN
ESSAI DE RCD (Différentiel) . . . . . .IEC/EN
ORDRE DE PHASE . . . . . . . . . . . . .IEC/EN
CONTRÔLEUR D'ISOLEMENT
RÉSEAU IT . . . . . . . . . . . . . . . . . .IEC/EN
- DISPOSITIF DE LOCATION DE DÉFAUT
D'ISOLEMENT RÉSEAU IT . . . . . . . .IEC/EN
- APPAREIL COMBINÉ DE CONTRÔLE,
DE MESURE OU DE SURVEILLANCE
DE PROTECTION . . . . . . . . . . . . . .IEC/EN
61557-1
61557-2
61557-3
61557-4
61557-5
61557-6
61557-7
61557-8
61557-9
61557-10
Bien entendu, les normes IEC/EN 61010-1, 61010-2-031 et
61010-2-032 qui définissent les normes de sécurité électrique
respectivement, pour les appareillages électriques, les accessoires de test passifs (cordons, sonde oscillo passive,…) et les
accessoires actifs (pince ampèremétrique,…), sont toujours
applicables et complémentaires.
Consignation
Rappel des règles de base
L’exécution de travaux ‘‘hors tension’’, sur machines,
armoires ou moteurs, implique le respect des conditions
suivantes :
Obligation de s'équiper des A.P.I (casque, lunettes, gants et
sur-gants,…),
Nécessité d’arrêter l’alimentation des matériels et des équipements desservis par l’installation ou la partie d’installation
concernée,
Séparation de l’installation ou de la partie d’installation concernée
de toute source d’énergie (réseau de distribution, groupes
électrogènes, batteries d’accumulateurs...),
Condamnation (cadenassable) en position d’ouverture de tout
dispositif de coupure assurant la séparation des sources
d’énergie,
Détection De Tension (D.D.T) par un dispositif normalisé
sûr et fiable,
La détection de tension doit être effectuée à l’aide d’un appareil normalisé prévu à cet effet (Ex. : D.D.T C.A 700, C.A 701
& C.A 711), à l’exclusion de tout autre multimètre ou testeur.
Mise en court-circuit et à la terre des ouvrages.
Outils didactiques
Deux nouveaux posters
“Sécurité électrique”
Ces deux nouveaux posters didactiques schématisent
la norme NF C 15-100 en couleur.
Méthode des 62% et sa variante ou méthode en
triangle, le premier poster (68 x 100 cm) fait le point
sur LA MESURE DE TERRE.
Quant au second, de même format, ce sont les
LIAISONS A LA TERRE ET LA RÉSISTIVITÉ qu’il
explique.
Pour les obtenir gratuitement,
contactez Chauvin Arnoux au 01-44-85-44-20
2
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
news
Générateur MTX 3240 et Multimètre MTX 3250 :
une ergonomie et une lisibilité sans pareilles.
Famille
MTX Compact
Séduisante par ses formes, convaincante par ses performances
Pour concevoir sa nouvelle famille d’instruments de laboratoire, les MTX Compact, Metrix a
longuement interrogé le marché. Force a été alors de constater que la conception de ces outils
relevait trop souvent de l’habitude et avait fini par s’éloigner des attentes des utilisateurs.
Metrix s’est alors résolument tourné vers l’innovation utile, pour offrir des fonctions
inédites soulignées par une ergonomie sans faille.
Un design qui s’affiche
L’afficheur du générateur et du multimètre est d’une dimension
et d’une lisibilité encore jamais vues : 140 x 50 mm, tandis
que l’écran LCD des oscilloscopes se décline en versions
couleur et monochrome. Grâce à la technologie développée
pour l’affichage, chacune des personnes se trouvant autour
d’un même instrument lit parfaitement les mesures obtenues.
Très compacts, multimètre, générateur ou oscilloscope
trouvent leur place sur des paillasses standard, dégageant de
l’espace devant eux. Ils se glissent tout aussi facilement sur,
ou sous, une demi-étagère.
Un pilotage facile et sécurisé
Les connexions mesure sont facilement accessibles car
situées en façade. La sélection des fonctions primaires
s’établit directement au moyen de touches avec led de
validation et identification intégrées. Les fonctions courantes
des oscilloscopes bénéficient également de touches dédiées
en face avant, soit 21 boutons de raccourcis plus un encodeur.
Mais l’appareil peut également être piloté à la souris via des
menus “Windows-like” ou des éléments graphiques intuitifs.
Du jamais vu sur cette catégorie d’instrument !
Des caractéristiques
innovantes et performantes
Les MTX Compact bénéficient en standard d’une programmation SCPI et d’une calibration numérique à 100%. Le générateur
MTX 3240 offre la stabilité du réglage de la fréquence au digit
près, un changement de gammes automatique pour l’amplitude, un rapport cyclique réglable sans variation de la fréquence
ainsi que la fonction “LOGIC” pour une réponse simple et
rapide à la génération de signaux logiques à seuils ajustables.
Le multimètre 50 000 points MTX 3250 dispose de d’un
“AUTORANGING” courant complet. Son affichage triple permet
de visualiser les combinaisons de mesures, le mode SPEC
calcule et affiche les incertitudes de l’instrument, le mode MATH
offre la lecture directe de la grandeur mesurée, le mode SURV
piège et date les défauts. Grâce à son mode AUTOPEAK®,
le multimètre contrôle en permanence le facteur de crête de
la tension ou du courant du signal mesuré. Les oscilloscopes
Oscilloscope MTX 3252 :
vingt et une touches de raccourcis
et un encodeur, une souris et des
menus “Windows-like”, choisissez
votre mode de pilotage, ou
passez de l’un à l’autre selon
vos appétences
numériques
MTX 3252 et
3352 - 60 et
100 MHz,
v i t e s s e
d’échantillonnage maximum 20 Géch/s –
sont pourvus de l’analyse FFT temps réel et
multivoie du signal. L’analyse d’harmoniques
31 rangs est également proposée, en option, tout comme
l’enregistreur numérique. D’autres fonctions innovantes sont
désormais à la portée de chacun : une mise à l’échelle sur
les deux voies avec lecture directe et unité physique du
signal ; un éditeur mathématique de deux fonctions complexes, et jusqu’à huit courbes simultanées à l’écran. Tous
les fichiers générés s’ouvrent sous des applications
Windows.
Les dix-huit mesures
automatiques disponibles
peuvent être visualisées
simultanément.
Sur les oscilloscopes,
l’inter face réseau
Ethernet avec serveur
HTML, en option,
permet de prendre
la main sur l’instrument à distance, sans logiciel supplémentaire, grâce à sa
seule adresse Ethernet. Ainsi sont résolus les besoins de
gestion à distance, quand les salles machines et les salles
de cours sont dissociées. L’aide en ligne, qui existe en cinq
langues au choix, est disponible à tout moment.
Vraiment performants et dotés de modes inédits, ces surdoués
ont un atout supplémentaire pour vous séduire, un prix
vraiment raisonnable !
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
3
Pollution des réseaux électriques
Compensation d’énergie réactive
Problématique posée : existence, enjeux économiques, atténuation
des effets
Support d’activité proposé : La partie opérative de malaxage de sable
“Ecolsab” (Béma) associée à l’armoire “Habilis” (SCHNEIDER ELECTRIC)
Le but de ce TP est de mettre en évidence les effets engendrés par le fonctionnement
d’une installation consommant de l’énergie réactive et de proposer une solution
pour y remédier au plan matériel et de cibler l’incidence économique ; des
mesurages sont effectués pour valider les besoins et grandeurs. On proposera
enfin une activité transversale issue des conclusions obtenues.
Le public visé se situe au niveau d’une classe de terminale STI Electrotechnique
mais est facilement transposable au niveau professionnel ou de B.T.S.
Nicolas GESSEN
Professeur en génie
électrotechnique
Rappel sur l’installation :
La partie opérative utilisée présente plusieurs types de charges :
- L’une, résistive : la plaque de chauffe (intégrée à la plaque
de base, une plaque chauffante triphasée permet la
déshumidification du sable. Pour ce faire, la puissance
disponible est d'environ 2 kW en triphasé 400V)
- L’autre inductive : l'ensemble Montée/Descente (fixé sur
une plaque acier supportant la motorisation, la transmission
et le guidage, ainsi que l'équerre supportant l'ensemble
de malaxage. La motorisation est du type motoréducteur
triphasé asynchrone 230 V/400 V d'une puissance de 0,18 kW
en couplage étoile. Le rapport de réduction est de 1/25 et
le couple disponible de 31 Nm).
Première Etape :
Il s’agit de prendre conscience de la problématique et de dimensionner
les besoins.
Tarification de l’énergie : (référence février 2001 prix en Francs)
En analysant une facture EDF en tarif Vert, par exemple celle du lycée.
Il faudra d’abord prendre connaissance de la façon dont le déphasage entre :
U (tension) et I (courant) est taxé avec le tarif vert puis analyser une facture
d’été et d’hiver.
Partie opérative Ecolsab
+ Armoire HABILIS
+ Pupitre d’automatisme
En été :
4
Energie réactive
mesurée en P+HP
Energie active
mesurée en P+HP
Tangente phi
Secondaire primaire
kvarh
consommés
kvarh
en franchise
17 455
14 889
1,172
17 455
5 955
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
kvarh
à facturer
Prix unitaire
en centimes
Montant
synthése
synthèse
On constate, sur la facturation d’été, que l’énergie réactive
prend une part importante dans la consommation. En effet,
la tan ϕ est bien supérieure à 0,4, mais comme cette période
n’est pas celle ou le fournisseur fait la chasse au gaspillage,
l’énergie réactive n’est pas facturée (pour l’instant !).
Cela n’empêche pas que le consommateur est toujours
pénalisé par le surdimensionnement de son installation et
par des pertes en ligne non négligeables dues en particulier
à une valeur de courant plus importante que nécessaire.
En hiver :
Energie réactive
mesurée en P+HP
Energie active
mesurée en P+HP
Tangente phi
Secondaire primaire
kvarh
consommés
kvarh
en franchise
kvarh
à facturer
Prix unitaire
en centimes
Montant en
francs
48 818
81 308
0,600
48 818
32 523
16 295
1,737
283,04
En hiver, l’énergie réactive mesurée en P + HPH est facturée
si la tan ϕ dépasse 0,4 ce qui est le cas. On doit donc
s’acquitter de :
48 818 kvarh de consommation mesurée en P + HP Hiver
81 308 x 0,4 kvarh de consommation non taxée
La différence soit 16 295 kvarh est positive et c’est donc de
l’énergie réactive consommée en trop et facturée à 1,737
centimes par kvarh 48 818 – (81 308 x 0,4) = 16 295 kvarh
(dépassement donc en franchise) :
16 295 x 1,737 centimes par kvarh soit 283,04 F pour le
mois de février.
L’enjeu est facile à comprendre : si on ne fait rien contre
cet effet, on est lourdement taxé ; le montant de cette
taxe incite à réagir.
En effet, l’amortissement du surcoût d’installation de
compensation d’énergie réactive est généralement obtenu
dans les trois années qui suivent, donc intéressant au
plan économique.
Deuxième Etape :
Il s’agit de prendre conscience du problème au moyen de mesurages divers effectués sur l’installation et en particulier sur
la plaque chauffante et sur le moteur de Mo/De.
Les premiers mesurages seront effectués avec l’analyseur
d’énergie C.A 8310 de Chauvin Arnoux. La plaque chauffante présente des courants significatifs, suffisants pour
être mesurés. Par contre, il est nécessaire d’insérer des
boucles d’intensité dans le circuit de M2 car avec les courants
d’origine, le cos ϕ mesuré est de 1 !!
Dans le relevé joint, les boucles sont de 10 tours ce qui a
pour effet de multiplier les courants réels en ligne par 10 et
par conséquent, les puissances également. Seuls les tensions, facteurs de puissance, cos ϕ, fréquence et taux de
distorsion sont à prendre comme tels. Les boucles peuvent
être insérées soit en aval de Q2 (L21, L22 et L23), soit en
aval de F2 (L27, L28 et L29). Les relevés fournis par l‘analyseur
(effectuer la commande Ctrl_C dans le logiciel Power View et
récupérer la copie d’écran dans un traitement de texte quelconque avec Ctrl_V) permettent de mettre en évidence
que le facteur de puissance du circuit résistif (figure 1)
est proche de 1 mais aussi que celui du circuit inductif
(figure 2, relevé pour une phase de montée) est de
l’ordre de 0,245 (ϕ = 5π/12 soit 75°) ce qui est très peu.
Fig.1
Fig.2
Relevé effectué dans
le circuit résistif :
Relevé effectué dans
le circuit de levage :
Puissance active =
Puissance apparente :
cos ϕ = 1
I ligne = 0,78 A
S = 0,54 kVA
P = 0,13 kW
Q = 0,53 kvar
On note que le facteur
de forme est cette
fois ci proche de 0,25 !
I ligne = 0,78 A
La tension est proche de 400 V.
Le bilan des puissances donne ceci,
une fois divisé par 10 :
S = 0,557 kVA
P = 0,137 W
Q = 0,537 kVA ce qui donne :
cos ϕ = P/S = 0,25
Il est alors possible de vérifier le résultat par plusieurs moyens. Le premier en
utilisant une pince wattmétrique du type
MX 240 lors de la phase de montée et toujours
avec la boucle de courant (I sur L29 et U sur L27 à L29).
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
5
Le nouveau mesurage permet donc de confirmer le résultat
obtenu car l’ensemble des valeurs est très proche des
précédentes.
La puissance apparente absorbée par un récepteur s’écrit S
et s’exprime en VA. Cette puissance sert notamment au
dimensionnement des transformateurs de distribution.
En monophasé :
En triphasé :
On note les relations suivantes :
Diagramme équivalent :
+ SONDE
Pour en avoir le cœur net, il est aisé de mesurer cet angle
à l’aide d’un oscilloscope de type OX 8042. La tension
entre L28 et L29 est prise directement en mode différentiel et
le courant à l’aide de la sonde de courant E3N de Chauvin
Arnoux. La mesure de l’angle donne un peu plus de 4
divisions soit également 5π/12.
Les conditions de
mesurage sont les
suivantes :
Calibre tension
100 V par div
Calibre courant
0,5 A par div
Il faut se rendre à l’évidence, ce facteur de puissance est loin
d’être fameux. Il est clair qu’un moteur asynchrone faiblement chargé ou à vide est consommateur d’énergie réactive. Par contre, dans ce cas de figure, le problème ne vient
pas de la sous charge du moteur car I relevé est proche de
sa valeur nominale, mais plutôt de la construction même
des moteurs de faible puissance (entrefer important par
exemple).
Quelques rappels d’électrotechnique permettront de resituer la problématique et de définir ce qu’est un “mauvais”
facteur de forme :
La puissance active absorbée par un récepteur s’écrit P et
s’exprime en W. C’est la puissance qui sera réellement fournie
et transformée par la charge en énergie utilisable directement.
En monophasé :
En triphasé :
Le déphasage du courant sur la tension ajoute une composante, la puissance réactive, Q qui s’exprime en VAR.
C’est une puissance provenant des circuits magnétiques
(stockage de courant dans les inductances) et capacitifs
(stockage de tension dans les condensateurs).
En monophasé :
En triphasé :
6
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
On remarque qu’une grande puissance réactive donc un
mauvais facteur de puissance (cos ϕ faible ou tg ϕ fort) sont
pénalisants pour :
• Le consommateur d’énergie : surdimensionnement des
câbles et de l’installation ; pertes importantes par échauffement.
• Le courant appelé chez le fournisseur d’énergie est trop
élevé d’où surfacturation.
C’est pourquoi le fournisseur d’énergie sanctionne par une
majoration tarifaire les clients ayant un mauvais facteur de
puissance.
L’énergie correspondant à la puissance consommée pendant
un temps :
La Position du fournisseur français est la suivante :
Tarifs
Mesures
Conséquences d’un mauvais cos ϕ
BLEU
Si cos ϕ est trop faible alors S
devient élevée, la puissance
souscrite est dépassée
et le thermique du Dj déclenche.
JAUNE
Si cos ϕ < 0,93 (tgϕ > 0,4), S est
élevée, la puissance souscrite
est dépassée et EDF fait payer
des pénalités.
VERT
Mesure de Wa Pénalité EDF sur HP et Hiver si
Mesure de Wr Wr/Wa > 0,4
synthése
synthèse
Les causes sont bien connues et résident dans le fait
que lorsque le rendement du récepteur inductif (moteur,
transformateur, chauffage par induction, …) est faible, il y a
stockage d’énergie dans les inductances. Il peut y avoir
aussi le phénomène de stockage inductif avec des longues
ligne d’alimentation, mais aussi avec les convertisseurs
statiques (redresseurs commandés, gradateurs, …) car ils
décalent en arrière le fondamental de courant par rapport à
la tension.
Extrait de “Application du relais statique” par CELDUC relais
Tension sur la charge
Tension réseau
Fondamental du courant
t
ϕ1
α
Courant
Tension
réseau
Gradateur Charge
Tension
sur la
charge
Troisième Etape :
Le remède le plus utilisé consiste à insérer une batterie de condensateurs.
Diagramme équivalent :
Il apporte une énergie réactive opposée à celle des circuits
inductifs, donc l’énergie réactive totale diminue.
On peut donc essayer d’apporter une solution sur notre support qu’est le système de malaxage de sable. La partie chauffage ne pose pas de problème mais la partie levage nécessite, elle, une correction par couplage de condensateur.
3 condensateurs
20 µF 400 V
*
l’auxiliaire des contacteurs KM 21 et KM 22
* Modifier
par LA1 DN 22 (sur schéma) ou LA1 DN 20
Lors de l’essai réalisé dans les mêmes conditions que
précédemment (Oscilloscope OX 8042 + pince E3N), on
s’aperçoit que (voir relevé) le courant est maintenant en
avance sur la tension. La compensation est trop importante !
Le circuit est devenu capacitif.
L’inconvénient de ce cas de figure est que cette surcompensation peut introduire une auto-excitation du moteur.
Dans ce cas, une surtension peut apparaître aux bornes du
moteur (2 à 3 fois sa tension d’alimentation). De plus, certains
pays autorisent, bonifient, ou interdisent le renvoi d’énergie
réactive sur le réseau.
Les conditions de
mesurage sont les
suivantes :
Calibre tension
100 V par div
Calibre courant
0,5 A par div
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
7
Il serait donc utile de calculer l’énergie réactive à fournir
afin de s’en tenir au strict respect du facteur de forme exigé
(0,93 en France) :
Qc = P (Q/P – 0,4) = 482,2 var d’où C = Q / (2.π.f.U2) = 29 µF
(pour couplage en Y soit V = 230 V) ou 9,6 µF (pour couplage
en ∆ soit V = 400 V)
Il faudrait donc trois condensateurs de 9 µF chacun (27 µF)
en Y (étoile) afin d’obtenir un résultat. Il faut noter également
que le schéma de principe précédent est à compléter par
une résistance de décharge des condensateurs (elle doit
être obtenue en 1 seconde en milieu domestique et 10
secondes en milieu industriel d’après la norme EN 60947-1).
Dans notre cas, pour une décharge en 3τ soit 95 % de la
décharge totale en 10 secondes, on obtient :
Le relevé joint permet de constater l’amélioration du facteur
de forme puisque l’on se situe tout proche de celui d’une
résistance pure pour une compensation avec 3 fois 9 µF.
C’est ce que nous souhaitions obtenir.
Tension phase-neutre
Avec compensation
3 fois 9 µ F
τ = 3,3 s = R.C
ce qui donne :
Les conditions de
mesurage sont les
suivantes :
Calibre tension
100 V par div
Calibre courant
0,2 A par div (avec
compensation)
0,5 A par div (sans
compensation)
Sans compensation
Tension phase-neutre
1
1
R = 660 kΩ —
W avec C = 5 µF et R = 825 kΩ —
W avec C = 4 µF
4
4
Avec compensation
3 fois 5 µ F
En effet, afin d’offrir de multiples possibilités de couplage,
les trois fois 9 µF pourront se réaliser de la façon suivante
dans une boîte de condensateurs précablés :
Les conditions
de mesurage sont
les suivantes :
Calibre tension
100 V par div
Calibre courant
0,2 A par div (avec
compensation)
0,5 A par div (sans
compensation)
Sans compensation
Le bilan des intensités mesurées à l’aide de la pince MX 240
donne ceci :
3 fois 9 µ F :
- I ligne = 0,24 A
- I moteur = 0,79 A
- I condensateur = 0,65 A
Les possibilités de couplage sont donc de 3 x 4 µF en étoile
ou en triangle, 3 x 5 µF en étoile ou 3 x (4 // 5) µF en étoile
soit 3 x 9 µF en étoile.
3 fois 5 µ F :
- I ligne = 0,45 A
- I moteur = 0,79 A
- I condensateur = 0,36 A
Le relevé effectué à l’aide de l’analyseur d’énergie avec une
compensation de 9 µ F permet de confirmer ces résultats :
Relevé effectué dans le circuit de levage :
I ligne = 0,24 A
S = 0,17 kVA
P = 0,13 kW
Q = 0,1 kvar
On note que le facteur de forme est
cette fois ci proche
de 0,8 et que, pour
une puissance active
identique, les puissances apparente
et réactive sont en
nette diminution.
Le courant est passé
de 0,78 A à 0,24 A !
8
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
synthése
synthèse
Il est à noter que la déformation du courant obtenu après compensation peut être due à la résonance du circuit
LC formé de l’inductance du réseau et de la capacité ajoutée.
Il est aussi important de noter que le condensateur se comporte comme un court circuit lors de sa charge imposant
une surintensité très importante lors de sa commutation sur le réseau.
Il existe deux remèdes à cela.
Le premier, contre les oscillations et les pointes d’intensité,
consiste à ajouter en série avec le condensateur une
inductance L, dite anti-harmonique. Elle réduit l’intensité
lors de la charge et permet d’accorder le filtre LC ainsi
constitué sur la fréquence gênante créant la majorité des
déformations de l’intensité en régime établi.
La fréquence d’accord, fa est généralement de l’ordre de
200 Hz. Or on sait que :
Ces valeurs sont beaucoup trop élevées et montrent les
limites de la compensation avec de faibles valeurs (enjeu
économique mineur).
Le deuxième consiste non plus à utiliser un contacteur électromécanique mais un contacteur statique dit “synchrone”
c’est à dire que l’interrupteur se ferme lorsque la tension est nulle à ses bornes, évitant ainsi le di/dt de charge du condensateur.
Extrait de “Application du relais
statique” par CELDUC relais
Le cas de la figure 23 ci-contre montre
le fonctionnement d’un relais statique
idéal. Il serait alors intéressant de faire
quelques essais permettant de valider
cette hypothèse : les performances du
relais statique synchrone permettent
un bien meilleur fonctionnement que le
relais électromagnétique et présentent
une durée de vie supérieure.
Fig.23
Pilotage idéal par
un relais statique
synchrone
Schéma de principe à réaliser
en atelier prototype
Il est donc naturellement proposé de réaliser dans l’atelier
prototype, le câblage d’un démarrage direct, compensé
par une batterie de condensateurs pilotés par relais statiques
synchrones, afin de valider les hypothèses précédentes et
comparer les réactions du montage réel avec celles du
montage parfait.
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
9
Les outils multimédia au service
de la formation en électrotechnique
Bertrand CHARIER
Professeur
de Génie Electrique
Depuis maintenant deux ans une équipe de professeurs mène une action de
réflexion et de réalisation d'outils multimédia afin de répondre aux problèmes
rencontrés par les élèves des sections Génie Electrotechnique de l'Académie de
Poitiers.
Ces outils sont essentiellement des simulateurs destinés à s'affranchir
de contraintes techniques et environnementales liées au phénomène observé
et ne remplacent jamais l'expérimentation pratique.
L'outil logiciel intervient dans le seul but d'appréhender un phénomène physique
et d'offrir une large possibilité de paramétrage.
Cet article est l'aboutissement de notre réflexion et la description de certains
des logiciels utilisés par nos élèves.
Intérêts pédagogiques
Lors d'une séance de travaux pratiques
L'utilisation d'outils multimédia apporte un
vecteur de communication supplémentaire
dans une phase d'apprentissage et s'intègre parfaitement
aux activités proposées dans les différentes zones de travail
du laboratoire d'électrotechnique.
Ces outils interviennent aussi bien dans la phase de découverte d'un problème technique avant les expérimentations
(figure 1) qu'après, dans la phase de synthèse (figure 2).
Contextualisation
Simulations
Expérimentations
La figure 1 montre une situation
d'enseignement où l'élève est
amené à utiliser le simulateur avant
expérimentation. Cette organisation
permet d'affirmer le contexte de
l'activité proposée et de présenter
de manière attractive le thème abordé.
Validation
La figure 2 illustre une situation d'enseignement où les activités pratiques
précédent l'utilisation du simulateur.
Celui-ci permet de vérifier
les résultats de l'expériFigure 2
Contextualisation
mentation et d'en modifier
facilement les paramètres
Expérimentations
afin d'en observer les
influences sur le dispositif
Simulations
étudié. Cette possibilité
est rarement envisageable
Modification
sur le dispositif physique,
des paramètres
par manque de temps
(dispositif à grande inertie)
Validation
ou bien par difficulté de
Figure 1
10
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
mise en œuvre. Une combinaison des deux situations
d'enseignement peut également être envisagée.
En dehors du laboratoire d'électrotechnique
Les outils multimédia associés à des consignes précises de
la part du professeur, fournissent un accès aux informations
techniques, à des relevés de mesures en dehors du laboratoire.
Ils permettent des activités de soutien et d'approfondissement. De manière pratique, les simulateurs contiennent
des textes de travaux dirigés et sont disponibles en accès
libre au Centre de Documentation et d'Information du lycée.
Exemples de quelques outils
de représentations dynamiques
d'un signal
La “Mesure” de TENSION
L'élève est souvent
confronté au choix d'un
appareil de mesure,
ou au réglage d'un
appareil en fonction
du signal à mesurer.
Ce simulateur apporte
une aide au problème
de la mesure d'une
tension et fait le point sur la mesure d'une valeur efficace en
fonction des indications portées sur l'appareil par le fabricant.
Les différentes caractéristiques DC, AC, RMS et TRMS sont
indiquées simultanément pour plusieurs allures de signaux :
• signal continu ;
• signal sinusoïdal ;
idées
• signal sinusoïdal avec
composante continue ;
• signal carré ;
• signal carré avec composante continue.
Le simulateur dispose
d'un mode d'emploi
et d'une fenêtre de
définitions où sont
rappelées les méthodes de mesure pour chaque appareil ou
positions du commutateur. La partie supérieure de l'écran du
simulateur offre le choix du signal à visualiser. L'utilisateur
paramètre l'amplitude du signal et, le cas échéant, l'amplitude
de la composante continue. Une représentation temporelle
du signal ainsi paramétré est affichée. Toutes les informations
données dans la partie inférieure de l'écran sont contenues
dans cette représentation temporelle. La partie inférieure de
l'écran nous indique le résultat de la mesure selon l'appareil
utilisé ou bien selon la position du commutateur de l'appareil.
Lorsque la mesure est erronée, valeur AC d'un signal carré par
exemple, l'afficheur “AC” indiquera une suite d'étoiles : ****.
Par contre, pour la mesure d'un signal sinusoïdal avec composante continue, les afficheurs indiqueront les valeurs issues
de la méthode de mesure employée. On observera alors
une différence entre l'afficheur RMS et l'afficheur TRMS.
Ce dernier indiquant la valeur efficace vraie. L'utilisation du
simulateur apporte à l'élève une compétence de technicien face
à un problème de mesure.
Les perturbations “Harmoniques”
Cet outil multimédia permet d'appréhender les différentes
représentations d'un même signal et les perturbations harmoniques des réseaux électriques par une approche progressive
où l'aspect temporel des signaux est mis en avant. Il se
compose de 2 simulateurs : le premier indique en détail la
reconstruction d'un signal déformé par rapport à une sinusoïde,
le second propose un grand nombre de composantes harmoniques et affiche uniquement le signal reconstitué et son
spectre d'amplitude.
Premier simulateur
La relation entre un
signal non-sinusoïdal
et ses composantes
sinusoïdales est abordée sans utilisation de
concept mathématique
comme la décomposition en série de
Fourier. La représentation spectrale d'un signal défini de manière temporelle est
proposée. La quantification de la perturbation harmonique
est déterminée par le taux de distorsion harmonique global.
La partie gauche de l'écran propose le paramétrage des
composantes du signal à reconstituer. Seuls trois harmoniques,
le rang 3, le rang 5 et le rang
7 sont disponibles. Chaque
composante est paramétrée en
amplitude et en phase par
rapport au fondamental du
signal (amplitude 100% et
origine des phases). L'action
sur le bouton de commande
“Simulation” affiche les sinusoïdes définies par l'utilisateur.
La partie droite de l'écran
propose l'allure temporelle du
signal reconstitué, son spectre
d'amplitude et le taux de
distorsion harmonique.
Second simulateur
L'objectif de ce simulateur est de proposer
la reconstruction d'un
signal quelconque. La
partie gauche de l'écran
est dédiée aux caractéristiques du signal.
Dix composantes
harmoniques sont possibles jusqu'au rang 20 soit 1 kHz.
Des boutons de commande permettent de modifier, de
supprimer ou d'ajouter des composantes sans avoir à toutes
les saisir à chaque simulation. Une partie est pré-programmée
avec des signaux usuels : signal redressé mono et double
alternance, signal carré, signal de courant en amont d'un
redresseur à capacité en tête, etc... La partie droite de
l'écran affiche l'aspect temporel du signal reconstitué, son
spectre d'amplitude ainsi que le taux de distorsion harmonique.
Conclusion :
L'utilisation de ces
outils multimédia
apporte un complément aux enseignements dispensés lors
des séances de
travaux pratiques, ils s'inscrivent naturellement dans une
progression pédagogique.
La présentation multimédia de phénomènes physiques
dynamiques propose un nouveau vecteur de communication
dans les phases d'apprentissage et facilite la modification
de certains paramètres difficilement accessibles dans la
pratique. Leur inter-activité favorise des utilisations à différents
niveaux d'exigence : observation, analyse des résultats de
simulation, prédétermination de paramètres, etc... sans
jamais se substituer à l'expérimentation.
La conception de ces outils est le fruit d'un travail d'équipe.
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
11
Reportage au Lycée Martin Luther King de Bussy St Georges
LES MESURES D’ANALYSE DE RESE
SUR UN SYSTEME DE LEVAGE
Le but de notre visite, était de mieux connaître
ce lycée qui pratique une politique d’orientation et de
formation dynamique, d’une part, mais également d’effectuer des constatations techniques sur le terrain. En
effet, pour un fabricant d’instruments de mesure, un
établissement de formation technologique est à la
fois pépinière et terrain !
Ouvert depuis exactement 10 ans, le Lycée d’enseignement général et technologique Martin Luther
King a pour objectif de “permettre à tous les
élèves de trouver leur voie dans une démarche
personnelle de définition de leur projet scolaire
et professionnel”, de “maintenir les résultats de
l'établissement au-dessus des taux attendus dans
un climat d'épanouissement et de travail”, et
“d'éduquer à la citoyenneté en favorisant l'exercice
de la responsabilité et des droits des lycéens”.
Cet établissement situé en région parisienne
compte plus de 1200 élèves pour une centaine de
professeurs et propose de nombreuses filières
aussi bien générales L, ES et S (SVT ou SI), que
technologiques. Très impliqué dans l'enseignement
de la technologie, le lycée prépare également à
deux BAC STI (électronique et électrotechnique),
à un BEP (parcours adapté électrotechnique), et à
un BTS (Assistant Technique d'Ingénieur). Enfin il
propose également un BAC STT spécialité: Action
et Communication Commerciales et participe à la
formation de professeurs. Autre spécificité de
l’établissement : l’importance accordée à l’orientation
avec la seconde de détermination, qui permet
de rejoindre la plupart des filières
possibles en classe de première quel
que soit l'enseignement choisi en
seconde.
Exemple type de dispositif
pédagogique de système
de levage.
Concrètement il s’agissait d’évaluer quelles améliorations
un nouveau produit (analyseur d’énergie C.A 8334) pouvait
apporter dans un cadre précis de mesurage.
Nous avons donc suivi l’exploitation pédagogique du système
de levage présent dans de nombreux laboratoires STI en
électrotechnique, à des niveaux de BEP des Métiers de
l’Electrotechnique, Bac Professionnel E.I.E., Bac STI
Electrotechnique et BTS Electrotechnique.
Le système de levage permet d’étudier l’ensemble de la
chaîne énergétique du réseau de distribution basse tension
jusqu’au moteur d’entraînement du treuil. Le treuil
pouvant être couplé soit à un moteur à courant alternatif,
soit à un moteur à courant continu.
Les exploitations pédagogiques sont nombreuses et
conduisent essentiellement aux types de mesures suivants :
• mesure du courant de démarrage,
• mesure du courant en ligne en régime permanent,
• mesures de tension d’alimentation,
• mesure du déphasage entre courant et tension pour
différentes phases de fonctionnement (démarrage et
régime établi),
• mesure des puissances mises en jeu : P, Q et S,
12
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
reportage
AU
Les mesures à réaliser doivent s’adapter aux types de
démarreurs mis en œuvre sur le système de levage (démarrage direct, démarrage par variation de vitesse). Aussi, les
appareils de mesure doivent permettre de mesurer des
valeurs efficaces RMS.
La plus value de l’analyseur de réseaux électriques,
Qualistar (C.A 8332 et C.A 8334) est notable. Grâce à son
écran graphique, il autorise la visualisation immédiate des
courbes courant, tension et puissance et donne alors une
idée précise à l’utilisateur de la nature du signal, en terme
de qualité.
La manipulation du
C.A 8334 est intuitive.
Les icônes gravées sur
les touches permettent
d’appeler la fonction
choisie.
Le logiciel associé au
Qualistar permet non
seulement de visualiser,
mais également de traiter,
ensuite, les données
acquises sur site
En voici quelques illustrations :
OBSERVATION :
Parmi les quatre types d'écrans disponibles dans le mode
Formes d'ondes, voici ce que l'on peut notamment observer.
DIAGNOSTIC :
Parmi les cinq types d'écrans disponibles, voici ce que l'on
peut observer.
Diagramme de Fresnel (exemple 1).
D'un simple coup d'œil, il permet le contrôle permanent
des points suivants :
Taux Harmoniques global (THD) (exemple 2)
– Pour le contrôle du taux d'harmoniques global rang par
rang et phase par phase, en tension, courant et puissance.
– Permet aussi d’analyser l’influence des harmoniques sur
l’échauffement du neutre ou sur les machines tournantes
1. L'ordre des phases
– Une erreur de branchement sur le T.P. est directement
constatée à l'écran.
– Les couleurs des vecteurs correspondent à celles des
prises détrompées, tant en courant qu'en tension.
2. Le déphasage courant / tension de chaque phase
– Permet d'observer, en temps réel, les différents états
du système de levage (démarrage moteur, régime établi,
montée en charge, descente…).
3. Les déséquilibres éventuels en courants, tensions, les
décalages de phase ainsi que l'absence éventuelle de
l'une d'elles.
4. Le curseur vertical, à droite de l'écran, donne accès à
d'autres choix de mesure (tensions composées, tensions simples).
Exemple 1
Diagramme de Fresnel
Exemple 2
Taux Harmoniques (THD)
Mode Puissance / Energie (exemple 3)
– Affichage des puissances cédées ou consommées au
niveau de l'actif et des puissances réactives inductives et
capacitives. Les différences de mesures sont notamment
sensibles sur le T.P de levage selon son sens de fonctionnement, montée en charge ou descente.
– Deuxième ligne en haut, affichage de la date et de
l’heure du début et de la fin des compteurs d'énergie
(Start et Stop).
Facteur de Puissance (exemple 4)
– Sur cet écran, on affiche pour les trois phases, le facteur
de puissance (PF), le cosinus ϕ et la tangente ϕ souvent
souhaitée par les enseignants de l'électrotechnique.
Exemple 3
Puissances, Energies
Exemple 4
Facteur de Puissance, cos ϕ, Tan ϕ
Les cahiers de l’instrumentation no3 Novembre 2002
13
Gardons
le sourire
Dans le prochain numéro : l’isolement
Revue d'informations techniques
Le Club du Mesurage
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Directeur de la publication :
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Didier Villette, Jean Wauters
Coordination :
Rose Marie Berger
Conception graphique, réalisation :
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Diffusion gratuite, tous droits de reproduction réservés.
Novembre 2002
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