⚡ TP : ÉTUDE D'UN FOUR INDUSTRIEL AVEC GRADATEUR MONOPHASÉ

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PARTIE 1ÉTUDE DU SYSTÈME ET MESURES PRATIQUES (1h30)

1.1 - Analyse du schéma électrique (20 min)

Questions à traiter dans le compte-rendu :

1. Alimentation générale
   • Quelle est la nature de l'alimentation principale du système ? (monophasée/triphasée)
   • Quel est le calibre du disjoncteur principal Q1 ?
   • Détaillez la nature de l'énergie d'entrée
2. Partie commande
   • Quelle est la tension d'alimentation de l'automate et de l'IHM ?
   • Quel composant assure la conversion de tension ? Donner sa référence.
   • Quel est le rôle du disjoncteur QF1 ?
3. Partie puissance - Moteur
   • Quelle est la référence du disjoncteur-moteur Q3 ?
   • Quel est son calibre de réglage ?
   • Comment est commandé le moteur ?
4. Partie puissance - Résistances chauffantes
   • Combien de jeux de résistances chauffantes le système comporte-t-il ?
   • Quels sont les calibres des protections Q4 et Q5 ?
   • Quel type de composant commande le premier jeu de résistances R1 ?
   • Quel type de composant commande le deuxième jeu de résistances R2 ?
5. Signalisation
   • Identifier les voyants présents sur le système et leur fonction.
   • Quelles sont les sorties automate qui les commandent ?

1.2 - Câblage et connexion des instruments de mesure (30 min)

Travail à réaliser :

1. Compléter le câblage
   • Identifier les points de mesure disponibles sur le système
   • Réaliser les connexions avec les fiches bananes pour permettre les mesures
   • Faire vérifier par le professeur avant mise sous tension
2. Questions pour le compte-rendu :
   • Dessiner le schéma de câblage réalisé pour les mesures
   • Pour quelle raison la maquette est constituée de câbles à brancher ?
   • Quelles précautions de sécurité doivent être prises avant toute mesure ?

1.3 - Mesures sur le moteur avec l'analyseur de réseau (40 min)

Travail à réaliser :

1. Connexion de l'analyseur de réseau
   • Connecter l'analyseur de réseau sur les bornes du moteur
   • Paramétrer l'analyseur (tension réseau, fréquence)
   • Faire vérifier par le professeur
2. Mesures à effectuer (moteur à vide puis en charge si possible)

   Compléter le tableau suivant dans votre compte-rendu :

   Grandeur	À vide	En charge	Unité
   Tension composée U			V
   Tension simple V			V
   Courant de ligne I			A
   Puissance active P			W
   Puissance réactive Q			VAR
   Puissance apparente S			VA
   Facteur de puissance cos φ			-
   Fréquence f			Hz

3. Questions d'exploitation :
   • Calculer le facteur de puissance à partir de P, Q et S : cos φ = P/S
   • Comparer avec la valeur mesurée directement par l'analyseur
   • Expliquer pourquoi le facteur de puissance est différent à vide et en charge
   • Le moteur est-il couplé en étoile ou en triangle ? Justifier votre réponse
   • Calculer le rendement approximatif du moteur (si mesures en charge disponibles)

1.4 - Étude des résistances chauffantes

Questions pour le compte-rendu :

1. Premier jeu de résistances R1
   • D'après le schéma, les trois résistances R1 sont-elles en couplage étoile ou triangle ?
   • Comment est commandé ce jeu de résistances ? (tout ou rien, gradation...)
2. Deuxième jeu de résistances R2
   • Comment est modulée la puissance du deuxième jeu de résistances R2 ?
   • Quel est le principe de fonctionnement d'un gradateur ?
   • Quel est l'avantage d'utiliser un gradateur plutôt qu'un relais statique ?
   • D'après le schéma page 04, quelle grandeur de l'automate commande les gradateurs ?
   • S'agit-il d'une commande TOR (Tout Ou Rien) ou analogique ?

1.5 - Visualisation à l'oscilloscope (sous surveillance du professeur)

Travail à réaliser :

1. Préparation
   • Identifier le point de mesure pour visualiser la tension de sortie du gradateur
   • Régler l'oscilloscope : base de temps, calibre vertical
   • FAIRE VÉRIFIER PAR LE PROFESSEUR AVANT TOUTE CONNEXION
2. Observations
   • Visualiser la forme d'onde de la tension d'entrée (réseau 230V)
   • Visualiser la forme d'onde de la tension de sortie du gradateur
   • Faire varier l'angle d'amorçage via l'IHM (si possible)
   • Capturer ou dessiner les formes d'ondes observées
3. Questions pour le compte-rendu :
   • Dessiner l'allure de la tension d'entrée (sinusoïdale)
   • Dessiner l'allure de la tension de sortie du gradateur pour différents angles d'amorçage (α = 30°, 90°, 150°)
   • Expliquer pourquoi la forme d'onde est "découpée"
   • Quel est le rôle des deux thyristors montés en tête-bêche ?
   • Pourquoi ne peut-on pas utiliser un seul thyristor ?

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PARTIE 2ÉTUDE THÉORIQUE ET SIMULATION (1h30)

2.1 - Étude théorique avec le simulateur HTML (30 min)

Travail à réaliser :

1. Prise en main du simulateur
   • Ouvrir le simulateur dans un navigateur
   • Identifier les différents paramètres réglables
   • Observer les graphiques affichés
2. Étude paramétrique

   Compléter le tableau suivant en faisant varier l'angle d'amorçage α :

   α (°)	Veff (V)	Ieff (A)	Pmoy (W)	THD tension (%)	THD courant (%)
   0°
   30°
   60°
   90°
   120°
   150°
   180°

   Paramètres fixes : Vrms = 230V, R = 100Ω

3. Analyse des résultats
   • Tracer la courbe Veff en fonction de α avec un tableur
   • Tracer la courbe Pmoy en fonction de α avec un tableur
   • Pour quel angle d'amorçage obtient-on 50% de la puissance maximale ?
   • Comment évolue le THD en fonction de l'angle d'amorçage ? Expliquer.
   • Pourquoi le facteur de puissance reste-t-il égal à 1 pour une charge résistive pure ?
4. Étude des harmoniques
   • Observer le spectre harmonique pour α = 90°
   • Quels sont les rangs harmoniques les plus importants ?
   • Dessiner l'allure du spectre harmonique de la tension
   • Quel est l'impact de ces harmoniques sur le réseau électrique ?

2.2 - Modélisation avec PSIM (60 min)

Travail à réaliser :

1. Création du schéma de simulation

   Réaliser le montage suivant dans PSIM :

   • Source de tension sinusoïdale : 230V efficace, 50Hz
   • Deux thyristors montés en tête-bêche (antiparallèle)
   • Charge résistive : R = 50Ω
   • Blocs de commande (Gating Block) pour chaque thyristor
   • Sondes de tension et de courant
2. Paramétrage des blocs de commande

   Pour α = 45° :

   • Thyristor 1 (alternance positive) : points d'amorçage [45, 180]
   • Thyristor 2 (alternance négative) : points d'amorçage [225, 360]

   Questions :

   • Expliquer la signification des valeurs [45, 180] et [225, 360]
   • Pourquoi y a-t-il un décalage de 180° entre les deux thyristors ?
3. Simulation et analyse

   Simulation 1 : α = 45°

   • Paramétrer les Gating Blocks : Th1 [45, 180] et Th2 [225, 360]
   • Temps de simulation : 0.06s (3 périodes)
   • Lancer la simulation
   • Afficher VE (tension d'entrée) et VS (tension de sortie)
   • Capturer les courbes

   Simulation 2 : α = 90°

   • Modifier les Gating Blocks : Th1 [90, 180] et Th2 [270, 360]
   • Lancer la simulation
   • Capturer les courbes

   Simulation 3 : α = 135°

   • Modifier les Gating Blocks : Th1 [135, 180] et Th2 [315, 360]
   • Lancer la simulation
   • Capturer les courbes
4. Questions d'exploitation

   Pour chaque simulation, dans votre compte-rendu :

   • Dessiner ou coller les formes d'ondes obtenues
   • Mesurer la tension efficace de sortie (utiliser les outils PSIM)
   • Calculer la puissance moyenne dissipée dans la résistance
   • Comparer avec les résultats du simulateur HTML
   • Expliquer les différences éventuelles
5. Étude approfondie
   • Que se passe-t-il si on inverse les angles d'amorçage des deux thyristors ?
   • Simuler le cas α = 0° : qu'observe-t-on ?
   • Simuler le cas α = 180° : qu'observe-t-on ?
   • Quel est l'intérêt de monter les thyristors en tête-bêche plutôt qu'un seul thyristor avec une diode ?
6. Calculs théoriques

   Pour une charge résistive pure, la tension efficace de sortie est donnée par :

   V_eff = V_max × √[(1/2π) × (π - α + (1/2) × sin(2α))]

   Avec V_max = 230√2 ≈ 325V

   • Calculer V_eff pour α = 45°, 90° et 135°
   • Comparer avec les valeurs obtenues en simulation
   • Calculer l'écart relatif en pourcentage

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📝 SYNTHÈSE ET CONCLUSION (À rédiger dans le compte-rendu)

1. Bilan des mesures
   • Récapituler les principales grandeurs mesurées sur le moteur
   • Analyser les différences entre fonctionnement à vide et en charge
2. Comparaison des méthodes de commande
   • Comparer le relais statique (R1) et le gradateur (R2)
   • Avantages et inconvénients de chaque solution
   • Dans quels cas utiliser l'un ou l'autre ?
3. Validation théorie/pratique
   • Les formes d'ondes observées à l'oscilloscope correspondent-elles aux simulations ?
   • Les valeurs mesurées sont-elles cohérentes avec les calculs théoriques ?
   • Identifier les sources d'écarts éventuels
4. Impact sur le réseau électrique
   • Quels sont les inconvénients des gradateurs en termes de qualité de l'énergie ?
   • Comment pourrait-on réduire le taux de distorsion harmonique ?
   • Quelles normes régissent l'utilisation de tels équipements ?
5. Applications industrielles
   • Citer d'autres applications des gradateurs dans l'industrie
   • Pourquoi utilise-t-on un gradateur pour un four industriel ?
   • Quelles sont les alternatives modernes (variateurs MLI, etc.) ?