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TP STI GE LYCEE TECHNIQUE PIERRE EMILE MARTIN - 18 026 BOURGES TET GENIE ELECTROTECHNIQUE Durée : 3 heures Tp gradateur trains d'ondes 10-11 GRADATEUR A TRAINS D'ONDES S.T.I. Laboratoire des systèmes Pré-requis : Principe d’un gradateur à trains d’ondes entières Utilisation d’un oscilloscope à mémoire associé à une pince multifonction Utilisation d'un compteur d'énergie actif monophasé Objectif : Vérifier les performances d’un modulateur d’énergie à trains d’ondes entières associé à un récepteur résistif au moyen de mesurages pertinents. Conditions de réalisation: Travail en binôme. Moyens mis en oeuvre : Une charge résistive monophasée (four ou convecteur) Un modulateur d’énergie ("JUMO") avec sa documentation technique Dossier pédagogique avec le questionnaire Appareils de mesure avec notices explicatives Tp Gradateur à trains d'ondes entières Classes : TET 1/16 Problématique : On souhaite chauffer un four à résistance par un modulateur d'énergie. Quelles seront les particularités de ce modulateur d'énergie choisi? A-Introduction à la modulation d'énergie d'un four Dans cette étude on va s’intéresser aux techniques utilisées pour moduler l’énergie afin de maintenir une température constante dans un four. En milieu industriel, il est souvent nécessaire de pouvoir faire varier la température d’un four ou d’une étuve à différent niveau de température. Fonction d'usage A-0 1- Première technique : modulation par commutation de résistances en fonctionnement Tout Ou Rien R1 R1 R1 S1 S2 S3 Capteur de température 230V~

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TP STI GE LYCEE TECHNIQUE PIERRE EMILE MARTIN - 18 026 BOURGES

TET GENIE ELECTROTECHNIQUE

Durée : 3 heures Tp gradateur trains d'ondes 10-11 GRADATEUR A TRAINS D'ONDES

S.T.I. Laboratoire des systèmes

Pré-requis :

� Principe d’un gradateur à trains d’ondes entières

� Utilisation d’un oscilloscope à mémoire associé à

une pince multifonction

� Utilisation d'un compteur d'énergie actif

monophasé

Objectif :

Vérifier les performances d’un modulateur d’énergie

à trains d’ondes entières associé à un récepteur

résistif au moyen de mesurages pertinents.

Conditions de réalisation:

� Travail en binôme.

Moyens mis en oeuvre : • Une charge résistive monophasée (four ou convecteur)

• Un modulateur d’énergie ("JUMO")

avec sa documentation technique • Dossier pédagogique avec le questionnaire

• Appareils de mesure avec notices explicatives

Tp Gradateur à trains d'ondes entières Classes : TET 1/16

Problématique:

On souhaite chauffer un four à résistance par un modulateur d'énergie.

Quelles seront les particularités de ce modulateur d'énergie choisi?

A-Introduction à la modulation d'énergie d'un four

Dans cette étude on va s’intéresser aux techniques utilisées pour moduler l’énergie afin de maintenir une

température constante dans un four. En milieu industriel, il est souvent nécessaire de pouvoir faire varier la

température d’un four ou d’une étuve à différent niveau de température. Fonction d'usage A-0

1- Première technique : modulation par commutation de résistances en fonctionnement Tout Ou Rien

R1

R1

R1

S1

S2

S3

Capteur de température

230V~

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1-1 Sachant que la puissance maximale du four est de 3kW, déterminer la valeur ohmique et la puissance

dissipée par R1

1-2 A partir du relevé ci-dessous, commenter le relevé de la température en fonction du temps ci-dessus sur les

critères de rapidité en fonction du nombre de résistances commutées et de la précision par rapport à la

consigne de température.

2- Deuxième technique : modulation par variation à angle de phase

Cette technique est utilisée couramment pour faire varier la luminosité des lampes halogènes. Elles présentent

un inconvénient majeur qui est la création d’harmoniques de fréquences cause de nombreux problèmes dans les

installations.

2-1 Lancer le programme EXCEL : Gradateur à angle de phase et consigner vos résultats dans un

tableau suivant le modèle ci-dessous.

2-2 Vérifier qu'un signal "déformé" (qui "s'éloigne" d'un signal alternatif sinusoïdal) génère des

harmoniques.

Angle de commutation 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

U efficace

Puissance du four

Valeur du fondamental 50

Harmonique de rang 3 150

Harmonique de rang 5 250

Harmonique de rang 7 350

Harmonique de rang 9 450

Harmonique de rang 11 550

Ce type de modulateur limite le courant de démarrage et est utilisé dans certaines applications thermiques

comme par exemple chauffage par résistances (faible résistance à froid).

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3- Troisième technique : modulation par trains d’ondes

Cette technique consiste à laisser passer un certain nombre d’ondes pleines, en fonction de la

température du four, pendant une période de modulation. Ton = Tmodulation ⇒ le four chauffe à puissance

nominale, Ton = 0 ⇒ le four ne chauffe pas. Cette technique génère des phénomènes de "pompage"

(marche, arrêt, ...). Ce type de gradateur est utilisé pour des constantes de temps du système

commandé longue (systèmes à inertie importante).

3-1 A partir de quel(s) composant(s) électronique(s) cette modulation d’énergie est-elle réalisée ? (voir

document constructeur p 10, composant situé entre les bornes U1 et U2)

A quel autre composant cela vous fait-il penser ?

3-2 Citer les six différents signaux de commande analogiques possibles du modulateur (voir document

constructeur p 16). Quel est l'avantage d'une commande 4-20mA sur une commande 0-20mA et 0-10V?

3-3 En utilisant le document constructeur p 16, indiquer la position des interrupteurs (swiths), pour que

le modulateur fonctionne en train d’ondes (burst-firing en anglais) avec une période de modulation

fixe sur une charge résistive constante avec une commande en 0-10V.

Numéro du swith (interrupteur) Position

S1

S2

S3

S10

S11

S12

S13

S14

S17

S18

S19

S20

3-4 Donner la référence du gradateur TYA-110/3,….,….,TR (option:TR) (voir document constructeur p 13).

3-5 Pourrait-on utiliser ce modulateur en tant que gradateur de lumière ? (justifier la réponse).

B- Partie expérimentale (le four à résistance est remplacé par un convecteur 650W, 230V~ monophasé)

Ton

Tmodulation

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Le modulateur d'énergie choisi est un gradateur à trains d'ondes entières

On utilise un signal de commande en tension analogique 0-10V (les "swiths" sont positionnés correctement) Placer les commutateurs en position:

- commande interne.

- gradateur à trains d'ondes entières

1- Calculer le courant nominal Ieff nominal et justifier le choix du modulateur utilisé pour cette maquette.

(Voir annexes) sachant que P = 650W, 230V~ monophasé

2- Sur la maquette comment modifie -t-on le rapport cyclique ?

3- S’il ne passe qu’une période de sinusoïde pendant la durée de modulation, quelle est alors la puissance

moyenne dissipée par le récepteur ?

Rappel: ulation

on

T

T

mod

=α avec T modulation = 500 ms

4- Montage hors tension, placer les appareils de mesure pour visualiser le courant dans la charge i = f(t)

Pour six valeurs de réglage du potentiomètre (Uconsigne mini ; 1V ; 2,5V ; 5V ; 7V et Uconsigne maxi).

5- Visualiser pour les six valeurs de U consigne, i = f(t) et calculer le rapport cyclique αααα correspondant.

Imprimer i = f(t) pour U consigne = 2,5V.

A partir du relevé i = f(t), calculer la valeur efficace du courant Ieff dans le récepteur et vérifier avec la

réponse de la question B1.

6- On souhaite mesurer ou calculer la puissance moyenne consommée dans le récepteur:

Méthode 1 : A partir d'un oscilloscope : Pmoy = α Pn

Méthode 2 : A partir d'un compteur monophasé d'énergie active: t(s)

W(Wh)3600(W)Pmoy

×=

W= n x C avec C constante du compteur en Wh/tr (valeur indiquée sur le compteur) et n nombre de

tours du disque du compteur pris en compte. Pour simplifier les calculs, il suffira de mesurer le temps

écoulé lorsque le disque effectue un tour complet (prendre un repère sur le disque).

Consigner les résultats dans un tableau suivant le modèle ci-dessous et justifier tous les calculs.

U consigne

(en V)

αααα

α

P moy

(W) méthode 1

Ueff

nominal

(V)

U moy

(V)

I eff

nominal

(A) t(s)

P moy

(W)

méthode 2 0 1 2,5 5 7,5 10

7- Tracer Pmoy = f (U consigne)

� en noir pour la méthode 1

� en vert pour la méthode 2

Indiquer l’origine et les échelles.

8- Commenter l’allure de ces courbes, les comparer et conclure sur l’utilité d’un modulateur d’énergie à

trains d’ondes entières dans une application thermique.

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Ce que je dois retenir….

Il permet le réglage d'………………………………….., par envoi de trains d'ondes ……………………, d'amplitude et de fréquence ……………………………. à celles du réseau, séparés par des absences totales de tension. Son principal domaine d'application est ………………………………………………………………………………………………………..

MODULER

GRADATEUR

Tension ………….

Tension

…………..

T ON

Tm

Rapport cyclique :

αααα = ……………

Puissance moyenne délivrée au récepteur

P moyen = …………………

* La puissance est constituée de………………………… (thyristors montés

…………………………………………………).

* La commande peut être une …………………………. ou un

………………………………… (moins sensible aux ………………………..) *Le gradateur à trains d'ondes entières est utilisé pour des récepteurs à constantes de temps…………………. (1 exemple:……………………….)

Schéma électrique –Charge monophasée-

Commande en 0-10V

Exemple : tracez le signal de sortie pour αααα=20% Calculez la puissance moyenne délivrée par un récepteur de 1000 W : P moy =

Il présente l'avantage de ne pas créer de perturbations

radioélectriques (harmoniques) et de ne pas dégrader le facteur de

puissance de l'installation.

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