GL-DG-S Dispositif expérimental électrique et électronique avancé

I. Présentation
Le « dispositif expérimental avancé d’électrotechnique et d’électronique GL-DG-S » est un dispositif expérimental de nouvelle génération, conçu par notre société suite à une large consultation auprès d’enseignants en travaux pratiques de diverses universités. Ce dispositif tient pleinement compte des besoins actuels et des tendances d’évolution des laboratoires, avec pour objectif de faciliter les expériences et de développer les compétences pratiques des étudiants. Il bénéficie d’améliorations et d’innovations majeures en termes de structure et de performances. Il conserve de nombreux avantages de nos dispositifs expérimentaux traditionnels, tels qu’une protection complète contre les fuites de tension et de courant, une protection contre les surintensités, une protection contre les surtensions induites par le transformateur, etc., ainsi qu’une protection intégrée des instruments et des appareils de mesure.
II. Caractéristiques :
1. Grande polyvalence : Ce dispositif expérimental intègre tous les projets expérimentaux des cours d’électrotechnique fondamentale dispensés dans les établissements d’enseignement supérieur chinois. Les utilisateurs peuvent acquérir les composants nécessaires et adapter la complexité des expériences selon leurs besoins. Sa diffusion et son amélioration peuvent être combinées harmonieusement en fonction de la progression de l’enseignement.
2. Intégrité et cohérence robustes : Les instruments de courant alternatif et continu, les alimentations, les sources de signaux (y compris les fréquencemètres) et les dispositifs expérimentaux courants nécessaires à l’expérience sont étroitement liés aux besoins de celle-ci et concentrés sur le dispositif expérimental, ce qui facilite l’organisation et le déroulement des travaux pratiques pour les enseignants.
3. Forte scientificité : Le dispositif est compact, ce qui permet de gagner de la place dans la salle expérimentale et de réduire les investissements en infrastructure. Le laboratoire est propre et agréable, ce qui améliore l’environnement expérimental. Le contenu expérimental est riche et la conception est rationnelle. Outre l’approfondissement des connaissances théoriques, la conception et la réalisation d’expériences complètes peuvent également être adaptées aux conditions réelles. En fonction des spécificités du contenu expérimental, les prises et les câbles des parties « forte » et « faible » sont séparés. La partie « forte » utilise un câble de connexion à fiche pistolet élastique rétractable haute fiabilité (aucun risque d’électrocution), et la partie « faible » utilise un câble de connexion élastique en cuivre béryllium léger apparent. Chaque câble est compatible uniquement avec les prises des trous internes correspondants, ce qui améliore considérablement la sécurité et la rationalité de l’expérience.
4. Agencement simple et large champ de vision : ce dispositif expérimental répond aux besoins actuels de développement des laboratoires. Les étudiants peuvent assister aux cours ou réaliser des expériences confortablement installés, et les enseignants peuvent les guider aisément.
III. Caractéristiques techniques
1. Alimentation : triphasée à quatre fils (ou triphasée à cinq fils) 380 V ± 10 % 50 Hz
2. Conditions de fonctionnement : température de -10 °C à +50 °C, humidité relative ≤ 85 % (à 25 °C), altitude < 4 000 m
3. Puissance installée : < 1,5 kVA
4. Poids : 150 kg
5. Résistance d’isolement de chaque phase de l’alimentation par rapport à la terre : ≥ 10 MΩ La résistance d’isolement de la partie sous tension de la table d’expérimentation par rapport à la terre est ≥ 10 MΩ.
6. Dimensions : 166 × 73 × 140 cm
IV. Configuration de l’appareil
Cet appareil expérimental se compose principalement d’un panneau de commande d’instruments d’alimentation, d’une table de laboratoire, d’une armoire de laboratoire, etc.
(I) Alimentation et panneau de commande d’instruments
Le panneau de commande est une structure en fer à double couche, revêtue d’une peinture pulvérisée mate à grain dense et d’un panneau en aluminium. Il fournit l’alimentation CA, l’alimentation CC régulée, une source de courant constant, une source de signaux (incluant un fréquencemètre), ainsi que divers instruments de test et dispositifs expérimentaux. Ses fonctions spécifiques sont les suivantes :
1. Panneau de commande principal
1.1 Alimentation CA triphasée 0~450 V et monophasée 0~250 V à tension réglable en continu, équipée d’un régulateur de tension triphasé à liaison axiale de 1,5 kVA/0~450 V/3 A. Ce régulateur pallie de nombreux inconvénients des régulateurs monophasés à structure en chaîne ou à engrenages. La sortie de puissance CA réglable est dotée d’une protection électronique contre les surintensités et d’une double protection par fusible, assurant une protection automatique contre les surintensités entre phases et entre phases, ainsi que contre les courts-circuits, et éliminant ainsi la nécessité de remplacer les fusibles. Trois voltmètres CA à aiguilles permettent d’afficher respectivement la tension du réseau triphasé et la tension de sortie régulée triphasée par un commutateur, avec indication de perte de phase par LED.
1.2 Un tube fluorescent 220 V/30 W est fourni pour les expériences. Ses quatre extrémités sont connectées aux bornes du panneau pour faciliter le branchement.
1.3 Deux prises de courant 220 V sont fournies.
2. Carte d’alimentation CC
2.1 Elle comprend deux alimentations stabilisées de tension réglables de 0 à 30 V/1 A, avec protection contre les courts-circuits et coupure automatique, fonction de récupération automatique, affichage LED 3,5″, voltmètre CC numérique 3,5 digits (précision ± 0,5 % de la lecture + 2 digits) et interrupteur. Elle dispose également d’une sortie de courant de 1 A en basse tension (1,5 V) et d’autres fonctions.
2.2 Elle comprend une source de courant constant réglable en continu de 0 à 200 mA, divisée en trois niveaux (2 mA, 20 mA et 500 mA), avec une stabilité de charge ≤ 5 × 10⁻⁴, et un ampèremètre numérique 3,5 digits. Précision de réglage : 1/1000. Elle est dotée de fonctions de protection contre les courts-circuits et les circuits ouverts en sortie. 3. Tableau de bord
(1) 1 Voltmètre numérique CA
Intégrant un convertisseur RMS haute performance et une unité MPU haute vitesse, il offre une interface homme-machine intuitive via l’affichage numérique. Sélection automatique de la gamme, plage de mesure : 0 à 500 V. Précision : 0,5 degré.
(2) 1 Ampèremètre numérique CA
Intégrant un convertisseur RMS haute performance et une unité MPU haute vitesse, il offre une interface homme-machine intuitive via l’affichage numérique. Sélection automatique de la gamme, plage de mesure : 0 à 5 A. Précision : 0,5 degré.
(3) Wattmètre et facteur de puissance monophasé et triphasé
Composé d’un DSP 24 bits dédié, d’un convertisseur analogique-numérique 16 bits haute précision et d’une unité MPU haute vitesse, il offre une interface homme-machine intuitive via des touches et un affichage numérique. Le logiciel adopte une conception RTOS et est équipé d’un logiciel de surveillance PC pour optimiser les capacités d’analyse. Il permet de mesurer la tension, le courant, la puissance active, la puissance réactive, le facteur de puissance, la fréquence, etc. du circuit. La précision de mesure de la puissance est de 0,5 %, la plage de mesure du facteur de puissance est de 0,3 à 1,0, les plages de tension et de courant sont de 0 à 500 V et de 0 à 5 A. Il identifie automatiquement les propriétés de la charge (affichage inductif « L », capacitif « C », résistance pure non affichée) et peut enregistrer les données de mesure pour consultation ultérieure. Il dispose également d’une fonction de communication avec un ordinateur.
(4) Un voltmètre numérique CC : plage de mesure de 0 à 200 V, avec affichage numérique (quatre chiffres), précision de 0,5 %, avec protection contre les dépassements de plage.
(5) Un milliampèremètre numérique CC : plage de mesure de 0 à 2 000 mA, avec affichage numérique (quatre chiffres), précision de 0 %, avec protection contre les dépassements de plage.
(6) Source de signal et fréquencemètre
Formes d’onde de sortie : carrée, sinusoïdale, triangulaire, impulsionnelle (deux, quatre ou huit fois), unique, sortie après amplification ; fréquence de sortie : 2 Hz à 2 MHz, réglable en continu ; plage de réglage d’amplitude : 0 à 15 V crête à crête, avec atténuation de 20 dB et 40 dB.
Équipé d’un fréquencemètre numérique à 6 digits, il peut servir de source de signal de contrôle ou de fréquencemètre externe. Précision : 0,5 dB. Plage de mesure : 0 à 2 MHz.
(II) Table d’expérimentation
La table d’expérimentation est en tôle d’acier double paroi. Sa structure, peinte par pulvérisation à motif dense mat, mesure 750 mm de haut. Elle se compose principalement d’un plateau (bordure blanche), de pieds latéraux noirs (750 mm × 50 mm × 20 mm, pliés et soudés avec des plaques d’acier), de tiroirs, de roulettes et d’un système de réglage fixe. Plateau de laboratoire : panneau haute densité ignifugé, imperméable et résistant à l’usure, d’une épaisseur de 27 mm. Pieds latéraux : deux pieds latéraux haute résistance sont installés de chaque côté du plateau. Le matériau principal est une plaque d’acier haute résistance de 2 mm d’épaisseur. Le plateau est équipé de deux grands tiroirs et d’un compartiment de rangement en dessous pour les outils, les boîtes de suspension et le matériel. La structure du plateau est en acier de 2 mm d’épaisseur et sa surface est traitée par décapage, phosphatation et peinture électrostatique mate dense. La peinture utilisée est une peinture écologique d’une marque nationale reconnue. Les accessoires métalliques, tels que les poignées et les serrures, sont de haute qualité, antirouille, résistants à l’usure et de dimensions standardisées. Le plateau est bicolore, blanc laiteux et bleu clair, offrant un aspect esthétique et élégant, en harmonie avec l’environnement du laboratoire. La plaque signalétique et le logo sont conformes aux normes nationales.
Le plateau est équipé de quatre roulettes pivotantes et de quatre systèmes de réglage en hauteur. Les quatre roulettes universelles sont en polyuréthane résistant à l’usure et équipées de freins. Quatre mécanismes de réglage, faciles à déplacer et à fixer, sont situés sous la table d’expérimentation. Fabriqués en acier inoxydable, ils assurent la stabilité du dispositif expérimental. Lorsque le dispositif est en place et immobile, les roulettes universelles sont soulevées par le système d’ancrage, empêchant ainsi tout glissement de la table. Le revêtement en poudre plastique de la table d’expérimentation est importé ; il est non toxique, inodore, sans gaz nocifs, résistant à l’usure, aux hautes températures et à l’eau.
La structure de la table, en acier et en bois, est robuste et solide, et toutes ses parties, y compris la porte du boîtier, sont renforcées par des nervures.
(III) Boîtier d’expérimentation
1. Expérience sur le circuit de base (I)
Réaliser l’expérience de modification du compteur (équipé d’un milliampèremètre de précision à aiguille), l’expérience de caractérisation volt-ampère, l’expérience de détermination des conditions de transmission de puissance maximale, l’expérience de transformation équivalente des sources de tension et de courant, ainsi que les dispositifs associés.
2. Expérience sur les circuits élémentaires (II)
Réaliser l’expérience sur le principe de superposition, la loi de Kirchhoff (expérience de jugement), le théorème de Thévenin, le théorème de Norton et le réseau à deux ports, ainsi que l’expérience sur le théorème de réciprocité.
3. Expérience sur les circuits élémentaires (III)
Réaliser l’expérience sur la source contrôlée, le gyrateur et le convertisseur d’impédance négative, et utiliser les symboles de réseau standard pour les graphiques.
4. Expérience sur les circuits élémentaires (IV)
Réaliser les expériences sur les circuits dynamiques du premier et du second ordre et l’observation de la trajectoire d’état du circuit.
5. Expérience sur les circuits élémentaires (V)
Réaliser l’expérience sur la résonance série R, L, C (inductance creuse), le réseau de sélection de fréquence série et parallèle R, C et le réseau en double T R, C.
6. Expérience sur circuit alternatif (I)
Réaliser l’étude de la grandeur de phase en régime sinusoïdal permanent d’un circuit alternatif (expérience d’amélioration du facteur de puissance d’une lampe fluorescente), sous-expérience de la boîte noire (caractéristiques des composants R, L et C et détermination des paramètres).
7. Expérience sur circuit alternatif (II)
Réaliser l’expérience sur circuit triphasé (trois ampoules en parallèle par phase).
8. Boîte de composants
Fournir les composants expérimentaux nécessaires à l’expérience : résistances, condensateurs, inductances, potentiomètres et potentiomètres réglables décimaux (6 bits).
9. Boîte de condensateurs triphasés
Fournir des condensateurs haute tension triphasés de capacités respectives de 1 µF/500 V, 2,2 µF/500 V et 4,7 µF/500 V.
10. Commande par contact de relais (I)
Fournir un contacteur CA (tension de bobine de 220 V), un relais thermique et une ampoule simulée, ainsi que trois boutons lumineux (un jaune, un vert et un rouge).
11. Commande par relais (II)
Deux contacteurs CA (tension de bobine : 220 V), un relais temporisé (temporisation à l’enclenchement, tension de bobine : 380 V), un transformateur de freinage, une diode de redressement, une résistance, etc. sont fournis.
12. Moteur triphasé à cage d’écureuil DQ20-1 (△380 V, 100 W)
Les trois enroulements du moteur sont accessibles, facilitant ainsi le câblage.
13. Câbles de connexion pour essais : Deux types de câbles de connexion sont fournis, adaptés aux spécificités de chaque projet expérimental. Le circuit haute tension utilise un câble à fiche pistolet gainée haute fiabilité (risque d’électrocution nul) et un fil de cuivre sans oxygène multibrins ultra-fins pour une souplesse optimale. Il est recouvert d’une couche isolante en polychlorure de vinyle nitrile (PVC), qui présente les avantages suivants : souplesse, résistance aux hautes tensions, grande robustesse, résistance au durcissement et bonne ténacité. La fiche est constituée d’une pièce en cuivre massif avec des éclats de cuivre léger au béryllium, contenant 128 brins de cuivre, assurant un contact sûr et fiable. Le circuit basse tension utilise un câble d’expérimentation élastique entièrement gainé, souple et composé de 128 brins de cuivre. Ces deux câbles ne peuvent être connectés qu’à la prise correspondante et ne peuvent être intervertis, ce qui améliore considérablement la sécurité et la fiabilité des expériences.
V. Principaux avantages et système de protection de l’appareil
1. Alimentation triphasée à quatre fils (ou triphasée à cinq fils) : la puissance totale est commandée par un interrupteur triphasé.
2. L’alimentation du panneau de commande est commandée par le contacteur via les boutons marche/arrêt.
3. L’alimentation triphasée est réglable en continu de 0 à 450 V, et l’alimentation monophasée est réglable en continu de 0 à 250 V. Elle est équipée d’un régulateur de tension triphasé à couplage automatique axial (1,5 kVA) afin de répondre au mieux aux exigences des travaux pratiques.
4. Le panneau est équipé de protections électriques telles que la protection contre les fuites de courant, la protection contre les surcharges, la protection par disjoncteur et la protection contre l’isolement du transformateur, afin de garantir la sécurité des personnes et des équipements.
5. Le panneau est équipé d’un dispositif de protection contre les fuites de courant. En cas de fuite de courant sur le panneau de commande, si le courant de fuite dépasse un certain seuil, l’alimentation est coupée.
6. Le secondaire du régulateur de tension triphasé du panneau est équipé d’un dispositif de protection contre les surintensités. Si la sortie du régulateur de tension est en court-circuit ou si la charge est trop importante, le courant dépasse la valeur définie, et le système déclenche une alarme et coupe l’alimentation principale.
7. Les instruments de mesure sont de haute précision et intègrent la numérisation, l’intelligence artificielle et un mode de dialogue homme-machine, conformément aux évolutions des instruments de mesure modernes. Les différentes alimentations et les différents instruments bénéficient de fonctions de protection fiables.
8. Les câbles et prises de connexion pour les expériences sont conçus de différentes manières, garantissant sécurité, fiabilité et prévention des chocs électriques.
VI. Projets expérimentaux de dispositifs expérimentaux électriques et électroniques
1. Expériences électriques fondamentales
(1) Utilisation d’instruments électriques de base et calcul des erreurs de mesure
(2) Méthodes de réduction des erreurs de mesure des instruments
(3) Expérimentation d’extension de gamme des instruments (voltmètre, ampèremètre)
(4) Cartographie des caractéristiques volt-ampère des composants du circuit
(5) Mesure du potentiel et de la tension, et schéma du potentiel du circuit
(6) Vérification de la loi de Kirchhoff et détection des défauts
(7) Vérification du principe de superposition et détection des défauts
(8) Transformation équivalente d’une source de tension en une source de courant
(9) Vérification du théorème de Thévenin
(10) Vérification du théorème de Norton
(11) Détermination des conditions de transmission de puissance maximale
(12) Expérience sur un réseau à deux ports
(13) Expérience sur le théorème de réciprocité
(14) Recherche expérimentale sur les sources contrôlées VCVS, VCCS, CCVS et CCCS
(15) Observation et mesure de signaux électriques typiques
(16) Test de réponse d’un circuit RC du premier ordre
(17) Recherche sur la réponse dynamique des circuits du second ordre
(18) Mesure des caractéristiques d’impédance des composants R, L et C
(19) Test des caractéristiques des réseaux de sélection de fréquence RC série et parallèle
(20) Recherche sur les circuits résonants série R, L et C
(21) Réseau de sélection de fréquence RC en double T
(22) Observation de la trajectoire d’état du circuit
(23) Mesure expérimentale des caractéristiques des composants R, L et C et des paramètres CA
(24) Mesure des paramètres équivalents d’un circuit CA par la méthode des trois mètres
(25) Recherche sur la phase des circuits CA sinusoïdaux en régime permanent
(26) Expérience sur l’inductance mutuelle
(27) Mesure de la tension et du courant d’un circuit triphasé alternatif
(28) Mesure de la puissance d’un circuit triphasé
(29) Étalonnage d’un compteur d’énergie monophasé
(30) Mesure du facteur de puissance et de la séquence de phases
(31) Convertisseur à impédance négative et son application
(32) Rotateur et son application
2. Expérience sur la commande par relais
(1) Commande par à-coups et autoblocage d’un moteur asynchrone triphasé
(2) Commande en marche avant et arrière d’un moteur asynchrone triphasé
(3) Commande de démarrage par abaissement Y-Δ d’un moteur asynchrone triphasé
(4) Commande de freinage par consommation d’énergie d’un moteur asynchrone triphasé
(5) Commande de la séquence de démarrage d’un moteur asynchrone triphasé