VARIATION DE VITESSE D'UN MOTEUR À COURANT CONTINU AU MOYEN D'UN CONVERTISSEUR STATIQUE

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1 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique VARIATION DE VITESSE D'UN MOTEUR À COURANT CONTINU AU MOYEN D'UN CONVERTISSEUR STATIQUE OBJECTIFS DE LA MANIPULATION Le but pincipal de cette manipulation et l'étude de la vaiation de vitee d'un moteu à couant continu et à aimant pemanent au moyen d'un convetieu tatique. Dan un pemie temp, le convetieu utilié ea un hacheu éie. C'et un enemble utilié pa exemple pou la populion de véhicule électique, ou encoe pou le peceue an fil. A pati d'une ouce de tenion fixe, on peut aini ajute le point de fonctionnement de la machine. Le hacheu éie, commandé pa modulation de lageu d'impulion (M.L.I.), contitue une "ouce de tenion moyenne" églable à haut endement. Dan un deuxième temp, la vaiation de vitee ea effectuée au moyen d un pont edeeu commandé (pont mixte). C et une olution qui et encoe utiliée dan l indutie, plutôt pou le fote puiance : A l'iue de la manipulation, (et apè conultation du cou et de TD), l'étudiant doit avoi abode ou taite le point uivant : Machine à couant continu et à aimant pemanent en égime pemanent : - Fonctionnement qualitatif, églage de la vitee pa la tenion appliquée - Schéma équivalent de la machine à couant continue en égime pemanent - Identification de paamète de la machine pa de meue - Etimation de pete - Étude d'un point de fonctionnement en chage Hacheu éie (voi TP : Alimentation à découpage : hacheu éie et convetieu tatique abaieu de tenion) : - méthode de commande pa modulation de lageu d'impulion (pincipe, appot cyclique) - fonctionnement u chage éitive et inductive et expeion de la tenion de otie moyenne. - popiété de égime péiodique. Vaiation de vitee d'un moteu à couant continu au moyen d un hacheu éie : - Fonctionnement qualitatif, églage de la vitee pa le appot cyclique - Schéma équivalent de la machine à couant continue en égime tanitoie - Identification de l inductance de l induit de la machine pa de meue - Étude d'un point de fonctionnement en chage Redeement commandé monophaé : - Méthode de commande d'un pont à thyito (contôle de l angle de etad à l amoçage) - Fonctionnement de ce pont u chage éitive, fome d'onde. - Fonctionnement u chage inductive, fome d'onde, conduction continue et dicontinue, tajet du couant de chage dan le pont. - Valeu moyenne et efficace d'un ignal péiodique - Popiété de égime péiodique quant aux valeu moyenne de tenion et couant. Vaiation de vitee d'un moteu à couant continu au moyen d un pont mixte monophaé : - Fonctionnement qualitatif, églage de la vitee pa l angle de etad à l amoçage Vaiateu de vitee de MCC - 1

2 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique MATERIEL MIS À DISPOSITION - une alimentation continue églable 0-60V 20A, - une platine de commande de hacheu (fig. 1), - un hacheu 80V/10A (fig. 2), - un tanfomateu monophaé à point milieu 220V / 2 70V, - une platine de commande de thyito (fig. 3). - une platine de edeement à diode et à thyito (fig. 4), - un héotat (33Ω 6A), - une elf tiphaé églable (1,4H, 2A pa bobine) (fig.5), - un banc de machine à couant continu et à aimant pemanent (300W, 60V) (fig.6). - une onde de couant intantané PR30 (20A), - un ocillocope numéique avec onde difféentielle de tenion double ST1000. Figue 1 Figue 2 Figue 3 Figue 4 Figue 5 Figue 6 Vaiateu de vitee de MCC - 2

3 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS Il et impéatif de faie véifie tou le montage à chaque modification. Ne pa dépae 5 A de couant de chage moyen! Loqu'un nouveau montage et demandé, ne pa décâble ytématiquement le pécédent avant d'avoi véifié i une patie ne peut pa ête conevée! Remaque impotante : L'ocillocope et l'intument de meue de bae dan cette manipulation. Il et vivement coneillé de evoi on fonctionnement, étudié en pemie cycle, et en paticulie de connaîte la ditinction ente le poition AC et DC! Vaiateu de vitee de MCC - 3

4 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Vaiateu de vitee de MCC - 4

5 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique MANIPULATION Remaque : - Il et vivement coneillé de elie la pécédente manipulation "Alimentation à découpage : Hacheu éie et convetieu tatique abaieu de tenion" aini que e annexe. 1 - ETUDE DE LA MACHINE À COURANT CONTINU ET À AIMANTS PERMANENTS Un moteu à couant continu et à aimant pemanent, fonctionnant à vitee contante et taveé pa un couant continu I poède comme modèle implifié celui de la figue 7. I éitance de l'induit (faible) V Figue 7 + E m E m =k.ω (avec Ω en ad. -1 ) : foce conte-électomotice C m =k.i : couple électomoteu k et la contante de couple ou de foce électomotice, caactéitique de la machine. La éaction magnétique d'induit et négligeable, à caue de aimant. 1-1 Réitance de l'induit - Pa une méthode volt-ampèemétique, évalue la éitance totale de l'induit de la machine. Utilie pou cela la ouce de tenion continue églable (0-60V 20A) et jutifie le montage (coute ou longue déivation) choii. - Pouquoi doit-on bloque le oto de la machine? Pou ce faie on utiliea une méthode d oppoition avec le 2 machine du banc, que vou expliquea un eneignant. - Meue cette éitance pou 1, 2, 3, 4 et 5 A. 1-2 Contante de couple (ou de fem) et couple de pete à vide - Toujou au moyen de la ouce de tenion églable (0-60V 20A) et machine à vide, eleve la vitee de otation et le couant abobé loque la tenion vaie de 0 à 40 V. La vitee de la machine ea meuée au moyen de la généatice tachymétique placée u on abe. Cette généatice poduit 6V pou une vitee de otation de 1000t/min. On notea V th la tenion aux bone de cette généatice). - Rempli le tableau uivant : Tenion d'alim V (V) Tenion tachy V th Couant abobé I 0 Vitee de otation Ν (t/mn) Vitee de otation Ω (d/) Foce conte-electomotice E m Pete P 0 (aute que pa effet Joule) Couple à vide C 0 - A pati de ce meue et de pécédente, tace la coube donnant la foce (conte)électomotice de la machine en fonction de la vitee. En déduie la contante de fem ou de couple, k. - Tace le coube donnant le pete (aute que pa effet Joule) P 0 et le couple coepondant C 0 de la machine à vide en fonction de la vitee. Concluion? Quelle ont le oigine de ce pete? Vaiateu de vitee de MCC - 5

6 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Remaque : Retouve ce couple de pete mécanique à vide diectement au moyen de la contante k et du couant à vide et compae. 2 - ETUDE DE LA VARIATION DE VITESSE D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU ET A AIMANTS PERMANENTS AU MOYEN D UN HACHEUR SERIE 2-2 Montage du vaiateu de vitee et obevation à vide - Réalie le montage de la figue 8. Régle la ouce E à 40V et la féquence de découpage à 10kHZ. E 40V T D A i Chage CC v V Sonde de couant Ocillo voie1 mae ocillo (voie1) Ocillo voie2 mae ocillo (voie2) Figue 8 : Vaiation de vitee d'un moteu à Couant Continu et à aimant pemanent. En égime de couant vaiable, le chéma équivalent du moteu de la figue 7 doit ête complété pa l'inductance L du cicuit induit (c.f. figue 9), que l'on peut uppoe contante. - Obeve l'influence du appot cyclique u la fome de la tenion v et du couant i aux bone du moteu fonctionnant à vide. Pouquoi le couant péente-t-il une fome d'onde tiangulaie? Commente. - Effectue de apide vaiation du appot cyclique et obeve la tenion et le couant intantané aux bone de la machine. Explique quand et pouquoi de phae tanitoie de conduction dicontinue appaaient. Execice : Écie l'équation difféentielle du pemie ode que véifie le couant intantané i(t). Monte qu'en égime pemanent (donc péiodique), le valeu moyenne ont contante et que l'on obtient alo 2-3 Fonctionnement en chage v = E + m i. - Place un héotat de 33Ω, églé à a valeu maximale, en paallèle u la econde machine, qui fonctionnea en généatice. Inée un ampèemète afin de meue le couant moyen dan ce héotat. - En faiant vaie ce héotat (an l'amene en cout-cicuit!) obeve, pou difféente valeu du appot cyclique, le fome d'onde u le couant et la tenion. Commente. - Pou un appot cyclique α=0,5 égle le héotat de façon à obteni un couant moyen de 2,5A dan le moteu. Releve alo le couant moyen dan le héotat et la tenion moyenne à e bone. En déduie a éitance R g. - Releve en fonction du appot cyclique α (4 valeu uffient) : - la tenion moyenne v aux bone du moteu, - le couant moyen i qui le tavee, - a vitee de otation Ω. v(t) i(t) L Figue 9 v L + E m Vaiateu de vitee de MCC - 6

7 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique - Tace le coube v( α ) et Ω(α). Déduie pou chaque point la fcem du moteu au moyen de la elation E m =k.ω et compae à la valeu obtenue pa la elation v = E m + i. Commente. Execice : Monte que u le eai pécédent, loque la généatice alimente une éitance fixe, le couple éitant qu'elle oppoe au moteu et eniblement popotionnel à la vitee de otation (un fottement de type viqueux et aini imulé). Détemination de l'inductance de l'induit L : - Pou un appot cyclique α=0,5, avec le héotat en paallèle u la généatice toujou églé pou obteni 2,5A dan le moteu, eleve péciement la fome d'onde pou la tenion et le couant intantané aux bone du moteu u une péiode de découpage (valeu min et max, intant caactéitique). Note la vitee de otation. - Au moyen de ce fome d'onde et de l'équation véifiée pa le couant intantané en uppoant que la tenion aux bone de la éitance de l'induit et négligeable, détemine la valeu de l'inductance L de l'induit du moteu. Compae à la valeu obtenue au moyen de l'expeion de l'ondulation cête à cête du couant : (1 α) α E T Δ i =. L - Véifie que la contante de temp L de l'induit du moteu et gande pa appot à la péiode de découpage, ce qui pemet de uppoe que l'évolution du couant dan le moteu et linéaie pa moceaux. Execice : Pou le moteu en chage, connaiant le appot cyclique α=0,5 et la valeu du héotat de chage de la généatice églée en 3.3, détemine pa le modèle le point de fonctionnement du goupe (vitee de otation, couant abobé pa le moteu, tenion aux bone de la généatice et couant poduit). Compae aux meue. Quel ont le endement du moteu et de la généatice? Effectue pou cela un bilan de puiance. 3 - REDRESSEMENT MONOPHASÉ À THYRISTOR : PLATINE DE COMMANDE 3-1 Pincipe La platine epéentée u la figue 3 pemet de commande de thyito pou tout type de edeement monophaé, en églant leu angle de etad à l'amoçage ψ. La figue 10 epéente on chéma de pincipe et la figue 11 un chonogamme aocié. Signal de yncho AC V y V d + - Géné. de dent de cie + - Tenion de commande V ψ Généateu d'impulion Sotie 1 Sotie 2 V 1 V2 Figue 10 L'angle ψ peut ête églé, oit à l'aide d'un potentiomète (bouton "angle de etad" de la platine fig. 3), oit à l'aide d'une tenion extene vaiable ente 0 et 10V. Le cicuit intégé de bae utilié et le TCA 785 (voi annexe 1). 2πTψ L'angle ψ vaut ψ =, où T ψ et la péiode de la tenion inuoïdale d'entée. T Vaiateu de vitee de MCC - 7

8 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Le ode d'amoçage Vi ( bone "otie 1" et "otie 2" de la platine fig. 1) ont envoyée aux gâchette de thyito pa l'intemédiaie de tanfomateu d'impulion, dont le chéma et donné u la figue 11. Pouquoi? Figue 11 Fonctionnement d'un tanfomateu d'impulion (Figue 12 et voi TD) 15 Loque le tanito MOS 2N6661 et paant, un couant d'envion = 130 ma et envoyé dan la gâchette du thyito pou l'amoce. (Ceci dan l'hypothèe où le tanfomateu et idéal et de appot unitaie, et où le chute de tenion dan le tanito MOS, dan la diode au econdaie et dan la jonction gâchette-cathode du thyito ont négligeable.) Loque le tanito MOS et bloqué, la diode au econdaie et bloquée et la diode Zene pemet la démagnétiation du noyau du tanfomateu avant la pochaine impulion. 1N5819 ZENER 13V n +15V 100 2W Ω 1N5819 n 10 1,2 k G A K 2N692 Entée 15V 0V 100 1M IT 155 MOS 2N Fonctionnement de la platine de commande Figue 12 : Tanfomateu d'impulion - Réalie le montage de la figue 13 et obeve le difféent ignaux u la platine loque l'angle ψ vaie. - Obeve le ignaux à l'entée et à la otie d'un tanfomateu d'impulion en fonction de la poition de l'inteupteu "50μ - Peigne 20kHz". - Quelle et l'utilité du "peigne" d'impulion? (Quetionne l'eneignant). Vaiateu de vitee de MCC - 8

9 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Figue 13 : Platine de commande Pécaution impotante pou tout le montage qui va uive : Ne pa banche l'ocillocope u la platine de commande mai uniquement u la puiance, Envoye le impulion aux thyito toujou pa l'intemédiaie de tanfomateu d'impulion et gâce à de liaion coaxiale, Utilie un tanfomateu d'impulion pa thyito. 4 - ETUDE DE LA VARIATION DE VITESSE D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU ET A AIMANTS PERMANENTS AU MOYEN D UN PONT REDRESSEUR MIXTE 4-1 Montage du vaiateu de vitee et obevation à vide - Réalie le montage de la figue 14. Réfléchi à la commande de thyito. Régle l inductance L à a valeu maximale, en plaçant le 3 bobine en paallèle. - Place un voltmète aux bone de la généatice tachymétique e touvant u l'abe du moteu. Cette généatice poduit 6V pou une vitee de otation de 1000 t.mn Appele un eneignant pou la uite. - Pou difféente valeu de l'angle d'amoçage ψ, obeve l'allue du couant induit. Quel modèle électique peut-on utilie pou epéente le moteu et explique le fome d'onde? Obevation en chage - Étudie qualitativement le compotement du moteu chagé pa une machine identique, mai fonctionnant en généatice et débitant u un héotat. Obeve pou cela le couant dan le moteu et la tenion donnée pa la généatice tachymétique. Vaiateu de vitee de MCC - 9

10 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Syncho Bone Vete COMMANDE DE ψ G1 G2 G1 D1 i L Ocillo voie1 (Sonde difféentielle 1:10) 220 V AC 70V G2 D2 CC v Sonde de couant mae ocillo (voie1) Ocillo voie2 mae ocillo (voie2) Figue 14 : Vaiation de vitee d'un moteu à couant continu et aimant pemanent. * * * Vaiateu de vitee de MCC - 10

11 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental Annexe TP Énegie Électique Annexe 1 Cicuit de commande de thyito TCA785 Vaiateu de vitee de MCC - 11

12 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Vaiateu de vitee de MCC - 12

13 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Annexe 2 Thyito BT152 Vaiateu de vitee de MCC - 13

14 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique DIODE IR 10ETF10 Vaiateu de vitee de MCC - 14

15 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ OBJECTIFS DE LA MANIPULATION Le but pincipal de cette manipulation et de monte comment on peut modélie le compotement en égime pemanent d un moteu aynchone tiphaé couplé au éeau au moyen d un chéma électique équivalent. Ce modèle pemet de pévoi le fonctionnement extene de la machine, u le plan électique et mécanique. A l'iue de la manipulation, (et apè conultation du cou), l'étudiant doit avoi abode ou taite le point uivant : - Choii le appaeil de meue et le calibe adapté, - compende qualitativement le fonctionnement d un moteu aynchone et le phénomène de gliement, - tace expéimentalement la caactéitique C(g) donnant le couple mécanique en fonction du gliement, - connaîte la ignification de difféent paamète du modèle (chéma électique équivalent) et le ode de gandeu compaé, - identifie ce paamète au moyen de meue à puiance éduite (eai à vide et oto bloqué), - utilie ce modèle pou pévoi le compotement en chage (caactéitique de otie mécanique C(g), couant et puiance électique abobé au tato, endement) et compae le péviion aux meue, - établi un bilan de puiance et détaille le difféente pete. Pa ailleu, l étudiant doit connaîte la méthode de 2 wattmète pou meue de puiance électique u un éeau tiphaé et la méthode volt-ampèemétique pou meue la éitance d une bobine. MATÉRIEL MIS À DISPOSITION - un éeau d'alimentation monophaé 230 V 50 Hz pou l autotanfomateu monophaé, - un éeau d'alimentation tiphaé 220 V/380 V 50 Hz pou l alimentation XAS20, - un banc compoé d'une machine aynchone tiphaée à cage, d'une généatice à couant continu, et d un généateu tachymétique qui délive une tenion continue popotionnelle à la vitee angulaie (20 V 1000 t/min). - une alimentation tiphaée XAS20, - un wattmète numéique NANOVIP, - un commutateu de wattmète. - une alimentation continue vaiable pou l inducteu de la généatice à couant continu (pont edeeu aocié à un filte R-C et un autotanfomateu monophaé), Machine aynchone utiliée Plaque ignalétique MAS - 1

16 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique MAS - 2

17 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique MANIPULATION 0 DÉMONSTRATION CHAMPS TOURNANTS En guie d'intoduction, un eneignant débutea la éance pa une démontation u le champ tounant et illutea le pincipe d'un moteu aynchone. 1 MESURE DE LA RÉSISTANCE D UN ENROULEMENT DU STATOR - Réalie le couplage étoile du tato de la machine aynchone. Quelle ea, dan ce condition, la tenion aux bone d un enoulement du tato de la machine? A pati de indication donnée u la plaque ignalétique de la machine, détemine la valeu nominale du couant tatoique. - Réalie un montage volt-ampèemétique pemettant de meue la éitance ente deux enoulement du tato à pati de la tenion continue diponible à la otie de vote pont edeeu. - Sachant que le enoulement du tato ont couplé en étoile, déduie de cette meue la valeu de la éitance R S d un enoulement de l étoile équivalent du tato. - Comment pocéde i le tato était couplé en tiangle? 2 - MONTAGE DE BASE POUR L ÉTUDE DU MOTEUR ASYNCHRONE Dan la uite la machine aynchone fonctionnea en moteu. - Réalie le couplage étoile au tato. - Réalie le câblage du tato du moteu aynchone, en inéant le appaeil de meue électique (figue 1). MAS - 3

18 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique Généatice C.C. Plan de chage R V I MCC Cicuit Induit A U MCC I e Cicuit inducteu Redeeu PD2 Autotanfo Réaeu mono 230 V Réaeu ti 400 V N Alimentation tiphaée églable V Commutateu de wattmète A MAS V W A Fig. 1 : Montage de bae - Réalie le câblage de la généatice à couant continu (figue 1), en inéant de ampèemète pou meue le couant continu ciculant dan on inducteu I e et dan on induit I MCC. Banche aui un voltmète pou meue la tenion U MCC aux bone de l induit. - Apè avoi fait véifie le montage et ête aue que la généatice et à vide, démae le moteu aynchone en augmentant pogeivement la tenion délivée pa l alimentation tiphaée XAS20. - Meue la vitee de otation pou de tenion imple upéieue à 150 V. Commente et en déduie le nombe de paie de pôle de la machine aynchone. 3 - DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES DU SCHÉMA ÉLECTRIQUE ÉQUIVALENT DE LA MACHINE ASYNCHRONE 3-1 Eai en continu - A pati de l eai en continu ( 1), détemine la éitance R S d un enoulement de l étoile équivalent du tato. 3-2 Eai à vide (g 0) Cet eai met en évidence le pete (fe et Joule) au tato et le pete mécanique, aini que la puiance éactive magnétiante. Le modèle électique utilié pou cet eai et : MAS - 4

19 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique I S0 V R 0 L 0 ω j - Que epéente R 0 et L 0 ω. - Démae le moteu (toujou à l aide de l alimentation tiphaée XAS20). - Pou de tenion imple V S0 = [150 V, 175 V, 200 V et 220 V], meue le couant abobé I S0, la puiance active P 0 et la puiance éactive Q 0 mie en jeu dan cet eai. - Tace P S0 en fonction de V 2 S0. En déduie le pete mécanique P fm et la éitance R f qui epéente le pete fe. - Pou V S0 = 220 V, détemine le valeu de paamète R 0 et L 0 ω du modèle. Reteni ce valeu pou vote modèle. - Véifie que le pete joule au tato ont négligeable dan l eai à vide à 220 V. - Pouquoi la éitance R 0 epéente-t-elle le pete fe et le pete mécanique? - Pouquoi le pete fe au oto ont-elle négligeable? - Su le banc de machine utilié, quelle ont le pete mécanique pie en compte dan cet eai? 3-3 Eai oto bloqué (g = 1) Le chéma équivalent utilié dan ce ca et : I cc ' I cc jlω I 0cc V cc R 0 jl 0 ω Que epéente et lω? ATTENTION : Dan cet eai, le moteu doit ête alimenté ou tenion éduite ca la éitance équivalente du oto et tè faible. En péence de l eneignant, bloque le oto. - Apè 'ête aue que la tenion de otie de l alimentation tiphaée et au minimum (c et à die zéo), mette le tato ou tenion. - Augmente pogeivement la tenion d alimentation V SCC juqu'à ce que le couant abobé I cc pa le moteu oit égal à on couant nominal. - Meue le gandeu V cc, I cc, P cc et Q cc. - A pati de paamète déteminé dan l eai à vide, calcule appoximativement le pete epéentée pa la éitance R 0 et la puiance éactive magnétiante epéentée pa L0, lo de l eai en cout-cicuit. Compae ce puiance avec P cc et Q cc. MAS - 5

20 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique - Déduie de meue de l eai en cout-cicuit, le valeu de paamète et lω. Compae la valeu de à celle de R. Détemine la éitance R ' d un enoulement du oto amenée au tato. 4 ESSAIS EN CHARGE 4-1 Meue - Alimente le tato de la machine aynchone avec une tenion imple V S = 220 V. - Alimente l inducteu de la généatice à couant continu tout en maintenant on couant d exitation I e à 0,2 A. La tenion aux bone de l inducteu et alo voiine de 220 V. - Chage l induit de la généatice à couant continu avec une éitance vaiable R. Note le couant I MCC ciculant dan l induit de la généatice et la tenion U MCC aux bone de l induit. - Mainteni I e à 0,2 A et faie vaie la éitance R pou obteni I MCC = [0 A, 0,5 A, 1 A, 1,5 A et 2 A]. Meue pou chaque point de fonctionnement la tenion U MCC, la vitee de otation N, le puiance électique (P S et Q S ) et le couant I S abobé pa le moteu. - Note le compotement de la vitee (attention de ne pa dépae le couant nominal du moteu). - Sachant que le couple mécanique diponible C m u l abe de la machine à couant continu et donné pa : C m = K I, calcule la puiance mécanique P m diponible u l abe du banc. - On donne : MCC Excitation hunt (C1S) MCC Poly-excitation (C8S) K = 1,31 Nm/A K = 1,46 Nm/A - Calcule pou chaque point de fonctionnement le endement du moteu ynchone, le endement de la généatice et le endement global. - Tace u une même coube P S, P m et P (la puiance électique founie pa l induit de la généatice). Commente vo coube. 4-2 Caactéitique théoique et expéimental du couple mécanique C m (g) tanmi au oto. On peut expime le couple mécanique tanmi au oto d une machine aynchone à pati du chéma électique (Voi annexe). Si on e place dan de condition où le gliement et faible (ce qui et ouvent le ca, ho de la phae de démaage), cette expeion devient : C m = 3V S 2 g Ω ' S - Tace la caactéitique C m (g) théoique u le même gaphique que la coube expéimentale. - Compae le deux caactéitique (pente, décalage). 4-3 Validation du modèle - Pou chaque vitee N, utilie le modèle électique pou détemine le couant et le puiance active et éactive abobée au tato. Compae avec vo meue. R * * * MAS - 6

21 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique ANNEXE : FONCTIONNEMENT ET MODÉLISATION D UN MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ EN RÉGIME PERMANENT 1 - PRINCIPE DU MOTEUR À INDUCTION TRIPHASÉ On appelle machine aynchone tout convetieu électomécanique tounant (moteu ou généatice) qui toune en égime pemanent à une vitee difféente (> dan le ca de la généatice et < dan le ca du moteu) de la vitee de ynchonime Ω = 2πf /p=ω/p (p et le nombe de paie de pôle, f la féquence électique du éeau au tato). Un moteu aynchone généalement appelée moteu à induction et contitué : - D'un tato fomé d'un empilage de dique de tôle magnétique iolée ente elle. L'enemble fome un cylinde olidaie de la cacae qui contitue l'extéieu, fixe, de la machine. La face intene de ce cylinde et encoché et pote un bobinage tiphaé à p paie de pôle. - D un oto généalement contitué de conducteu de cuive placé dan le encoche d'une amatue magnétique cylindique. Si le conducteu ont implement mi en cout-cicuit u le face avant et aièe du oto on et en péence d un oto en cage d'écueuil (fig. a-1). S il foment de enoulement emblable à ceux du tato mi en cout-cicuit à l'extéieu de la machine on a à faie à un oto bobiné (fig. a-2). Figue a-1 : Moteu aynchone à cage d écueuil Le moteu aynchone fonctionne u le pincipe uivant : le enoulement du tato alimenté pa un ytème de tenion de pulation ω céent un champ gliant à la vitee Ω au niveau de l'entefe (voi l'animation u le champ tounant u le lien : Si le oto toune à une vitee Ω difféente de la vitee de ynchonime, ce champ gliant tatoique balaie le enoulement du oto. Il appaaît donc au oto un ytème de f.e.m. induite (loi de Faaday) de pulation ω = p(ω -Ω) qui génèe de couant puique le bobinage du oto ont en MAS - 7

22 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique cout-cicuit. Ce couant donnent à leu tou naiance à un champ gliant otoique de vitee angulaie Ω Ω pa appot au oto et donc Ω + ( Ω Ω) = Ω pa appot au tato. La machine aynchone epecte alo le théoème fondamental de machine tounante indiquant que le tanfet de puiance en égime pemanent ente deux champ d'induction gliant n'a lieu que i le champ tounent à la même vitee. Le couple de la machine et dû à l'inteaction ente le champ tatoique et otoique. Son amplitude et popotionnelle à l'amplitude de deux champ et au inu de leu décalage angulaie. Il tend à annule le phénomène qui lui donne naiance (loi de Lenz), c'et à die la difféence de vitee ente le tato et le oto. L écat ente le vitee ne peut cependant pa annule, ca i le oto toune à la vitee de ynchonime il n y a plu de vaiation de flux dan le enoulement du oto, donc plu de couant, donc plu de couple. Figue a-2 : Moteu aynchone à oto bobiné La gandeu caactéitique du fonctionnement du moteu aynchone et donc le gliement qui et défini comme la difféence elative de vitee ente le champ tounant et le oto : Ω Ω ω g = = Ω ω Vou touveez u le lien uivant une animation inteactive illutant le fonctionnement d'un moteu aynchone : MODÈLE ÉLECTRIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE On cheche à établi un modèle elativement imple uceptible de taduie le compotement en égime pemanent du moteu aynchone. On négligea pou cela le effet de atuation dan le cicuit magnétique. On uppoea pa ailleu que le champ magnétique dan l entefe et à épatition MAS - 8

23 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique inuoïdale et que le tenion et le couant au tato et au oto ont inuoïdaux en égime pemanent. Le moteu aynchone e compote à l'aêt (g=1) comme un tanfomateu tatique dont le econdaie et en cout-cicuit et tavaillant à la pulation ω. Une banche de l étoile équivalente du moteu peut donc ête décit pa le elation : V = (R + jlω )I + E E = (R + jl ω )I E K f n Φ M n = = k = m E K f n Φ M n où le indice et epéentent epectivement le gandeu tatoique et otoique, n le nombe de pie de enoulement, l leu inductance de fuite et R leu éitance. K et le coefficient de Kapp de enoulement. Le cicuit de la figue a-3 contitue alo le chéma équivalent d'une banche : I R jl ω ' I = mi R jl ω V R f jl μ ω E E = me m I Figue a-3 : Schéma électique équivalent oto bloqué (g=1) Quand le moteu toune, le gliement devient difféent de 1. La féquence de couant otoique et alo f = g f et le appot de foce électomotice efficace devient : K f n Φ K gf E = M M = E K f n Φ M K f n Φ M n Φ = g m. La loi de maille au oto 'écit : E = (R + jl ω ) I (1) pulation ω = gω Pou gade la imilitude ente le moteu aynchone et le tanfomateu, on définit pou la machine en otation, un oto fictif aêté de même contitution géométique et tavaillant donc à la pulation ω. Pou obteni une équivalence, le oto fictif immobile doit cée le même champ tounant que le oto éel, et doit donc ête pacouu pa un couant de même valeu efficace. Le appot de tanfomation de ce tanfomateu fictif et donc toujou ête m =. E La elation (1) peut écie : E g R g l ω g R g = ( + j )I = ( + jl ω )I. Une banche du modèle électique de la machine aynchone devient celui de la fig. a-4. E g MAS - 9

24 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique I R jl ω ' I = mi R g jl ω V R f jl μ ω E E = g me m I Figue a-4 : Schéma électique équivalent oto tounant R f et la éitance aociée aux pete fe dan le cicuit magnétique, L μ l'inductance magnétiante. Le bilan de puiance pou le moteu e décompoe de la manièe uivante ( voi figue ci-deou) : - la puiance électique abobée au tato P = 3V I coϕ - la puiance pedue pa effet joule dan le bobinage du tato P = 3R j 2 I 2 E V - le pete fe dan le cicuit magnétique (pincipalement du tato) Pf = 3 3 R f R f R 2 - la puiance électomagnétique tanmie au oto P t = CmΩ = 3 I où C m et le couple g mécanique de foce électomagnétique exeçant u le oto 2 - la puiance pedue pa effet joule au oto Pj = 3R I - la puiance de foce électomagnétique exeçant u le oto 1 g 2 Pm = CmΩ = Pt Pj = 3 R I g - la puiance mécanique pedue pa fottement loque le oto toune P fm = C f Ω P P P = C C Ω = C. u = m fm m f u - la puiance mécanique utile u l abe du oto ( ) Ω 2 P Stato P t Roto P m P u Pj P f Entefe Pj P fm Remaque : Le pete mécanique pa fottement P fm ont eniblement contante. En effet, la vitee de otation du oto et peu difféente de la vitee de ynchonime ca le gliement ete tè faible (ho démaage), et le couple de fottement C f ne dépendant patiquement pa de la puiance mécanique founie. A pati de ce conidéation, on décompoe la éitance du oto fictif en 2 éitance : la éitance 1 g de enoulement du oto R et une éitance fictive ("motionnelle") R qui epéente la g puiance mécanique tanmie au oto (fig. a-5). P t MAS - 10

25 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique I V R jl ω R f ' I = mi jl μ ω E R m E jl ω 1 g g R m I Figue a-5 : Schéma électique équivalent avec éitance motionnelle Pou une machine à cage d'écueuil, le oto n et pa acceible électiquement. On péfèe alo utilie un modèle électique où le chéma électique du econdaie (oto) et amené au pimaie (tato), tel que celui de la fig. a-6. R jl ω I ' R' jl' ω I V R f jl μ ω E 1 g R' g Figue a-6 : Schéma électique équivalent amené au tato ' R ' l ' avec R =, l 2 = et I 2 = mi. m m Comme dan le ca du tanfomateu on peut encoe implifie ce modèle. Si on conidèe que la chute de tenion dan le élément l et R et faible pa appot à V, on obtient le chéma appoché de la fig. a-7 utilié dan ce TPL. I I' jlω I 0 V R 0 jl ω 0 1 g g R' Figue a-7 : Schéma électique équivalent implifié amené au tato ' ' avec R 0 R f // R peteméca, = R S + R, l = l S + l, Lμ peteméca L 0. R et une éitance pemettant de epéente le pete mécanique du moteu. epéente donc l'enemble de pete fe et mécanique du moteu. Il faut ouligne que ce denie chéma contitue une appoximation qui et ouvent légitime pou un tanfomateu mai qui, dan le ca d une machine aynchone, et plutôt goièe. En effet, dan ce machine, la péence d un entefe, néceaie pou pemette la otation du oto, conduit à une augmentation de éluctance en jeu, donc une diminution de l inductance magnétiante et pa conéquent une augmentation du couant à vide. Execice : A pati du chéma équivalent pécédent, etouve l expeion du couple mécanique tanmie au oto en fonction de g et le paamète du modèle. C m R 0 MAS - 11

26 Univeité Paul Sabatie FSI - L3EEA Pacou Fondamental TP Énegie Électique MAS - 12