Durée : 1 h 30 Série 2 TP 5 CENTRE D'INTERET CI 2 : Chaîne d'énergie Objectifs visés par rapport au programme : 2-1-1 Alimenter en énergie 2-1-2 Distribuer l'énergie 2-1-3 Convertir l'énergie et entraîner Présentation de la séance Au cours de ce TP vous allez analyser par l expérimentation et l observation les performances de la motorisation électrique qui équipe le modèle réduit. Les caractéristiques du moteur électrique seront relevées expérimentalement. L analyse des performances du moteur s appuiera sur les résultats expérimentaux et l analyse des documents. Cette étude sera synthétisée dans un tableau, qui reprendra la totalité des points abordés dans ce TP. I Mise en œuvre des mesures I 1 Brancher le premier multimètre par ses bornes COM et V à la borne bleue et à une borne jaune en façade de connection du banc d'essais. Régler le commutateur du multimètre en voltmètre sur la position V. Relier les deux bornes jaunes de la façade de connexion du banc entre elles par un cordon. Mettez en place la pince ampèremétrique autour de ce cordon. Brancher le deuxième multimètre par sa borne COM au cordon noir de la pince et sa borne V au cordon rouge de la pince. Régler le commutateur du multimètre en voltmètre sur la position V. Mettez sous tension la pince ampèremétrique. Le multimètre doit alors afficher 0 mv (ou une valeur très proche). Si ce n'est pas le cas, agissez sur le potentiomètre «Zero ADJ» de la pince. Le multimètre donne alors une image de l'intensité consommée par le moteur : 100 mv équivalent à 1 A. Par exemple, si le multimètre affiche 1,1 V, cela correspond à une intensité de 11 A. I 2 Mettre sous tension le banc d'essai de la voiture radiocommandée. I 3 Allumer la radio commande. Faire un essai en actionnant la manette des gaz vers le haut. Les roues doivent tourner et les multimètres donner des indications positives. Si ce n'est pas le cas : Pour le premier multimètre, inversez la polarité du multimètre. Pour le second (relié à la pince), changez le sens de passage du fil dans la pince. NOM:... Notation / Observations: Prénom:... Classe / Groupe:... Date:... Lycée Sud Médoc 33320 Le Taillan-Médoc Page 1 sur 6
II Réalisation des mesures II 1 Pour une quatre points de fonctionnement du véhicule répartis sur toute l amplitude de variation de la manette des gaz en marche arrière puis en marche avant, relevez : la tension moteur sur le voltmètre le courant absorbé sur l ampèremètre la vitesse des roues sur le compte-tours. Consignez vos résultats dans le tableau du document réponse 1. Immobilisez les roues de la voiture RC à la main puis actionnez la manette des gaz en marche arrière jusqu'à atteindre une intensité proche de 12 A. Relevez la tension d'alimentation du moteur et reportez-la dans le tableau du document réponse 1. Recommencez la manipulation en marche avant. II 2 Sachant que : - Le moment du couple d un moteur à courant continu et lié au courant qui le traverse par la relation ( cf. doc. technique Modélisation du moteur à courant continu ) : Γ = k I avec : k constante électromécanique du moteur exprimée en Newton mètre / ampère Γ moment du couple du moteur exprimé en Newton mètre I courant dans le moteur exprimé en ampère Dans le cas du moteur électrique qui équipe notre modèle réduit, la constante électromécanique k = 0.005 Nm/A - La vitesse de rotation du moteur Ω exprimée en radians / seconde est liée à la vitesse de rotation des roues V exprimée en tour / minute par la relation ( cf. doc. technique Chaîne de transmission d énergie du moteur à courant continu ) : Ω = 2,76 x V Calculer pour chaque points mesurés au II 1 la vitesse de rotation du moteur en rad/s et le moment du couple moteur en N.m. Consigner vos résultats de calculs dans la suite du tableau du document réponse 1. III Caractéristiques mécaniques du moteur à courant continu III 1 Placer les points calculés précédemment sur la caractéristique couple = f (vitesse) du document réponse 1. III 2 La zone grisée représente les possibilités de fonctionnement du moteur. Vos points mesurés puis calculés doivent se situer dans cette zone. Les quadrants 2 et 4 n accueillent aucun de vos points parce qu ils représentent les quadrants de freinage du moteur ( cf. doc. technique Variateur LRP Runner ). Quel type de fonctionnement du moteur vos points situés sur le quadrant 3 illustrent-ils? Répondre sur le document réponse 1. III 3 Placer vos points tension et vitesse moteur (à l'exception de ceux réalisés roues bloquées) sur les axes du document réponse 2. Tracer la caractéristique tension = f(vitesse moteur). Quelle est l'allure de cette courbe? Que peut-on dire de la relation qui lie la vitesse du moteur à sa tension d alimentation? IV Analyse des résultats. En observant la caractéristique Couple / Vitesse du moteur (document réponse 1 et document technique Variateur ), répondre aux questions suivantes sur le document réponse 2. IV 1 Le moteur électrique peut il fournir un couple à vitesse nulle ou très faible, c'est-à-dire entraîner la voiture dès les premières rotations du moteur et ce sans embrayage? Quelle est la valeur de ce moment du couple lorsque le moteur démarre (à calculer en fonction du courant de blocage)? Plus le couple est important, plus l'accélération de la voiture est importante. Quelle influence le couple de démarrage aura-t-il sur l accélération de la voiture au démarrage? IV 2 Le moteur électrique peut-il fonctionner dans les quadrants 2 et 4 définis sur la caractéristique Couple / Vitesse du moteur électrique? Quel type de fonctionnement du moteur ces quadrants représentent-ils? Quel organe mécanique cette caractéristique du moteur à courant continu remplace-t-elle? IV 3 Comment le moteur électrique peut il inverser son sens de rotation? IV 4 Remplir le tableau de performances du moteur à courant continu en reprenant chaque point de fonctionnement vu aux paragraphes III et IV de ce TP. (Document réponse 3). Lycée Sud Médoc 33320 Le Taillan-Médoc Page 2 sur 6
Moto réducteur Graupner speed gear 600 Caractéristiques techniques : Puissance : 120 w sous 8,4V Tension nominale 8,4V Tension maxi 14,4V Courant nominal 11A Courant à vide 1,5A Courant de blocage 70A Rendement maximum 0,77 Rapport du réducteur 1 / 2,8 Caractéristique couple / vitesse du moteur sans réducteur, alimenté par le variateur LRP Runner Q uadrant 2 350 300 250 200 150 100 50 Γ (m Nm ) Q uadrant 1 Ω (rd/s) 0 200 600 1000 1400 1800 Q uadrant 3 Q uadrant 4 Zones de fonctionnement du moteur Graupner 600 Associé au variateur LRP 8305 Lycée Sud Médoc 33320 Le Taillan-Médoc Page 3 sur 6
Modélisation du moteur à courant continu Relations électromécaniques La tension et le courant d un moteur à courant continu permettent de calculer la vitesse et le moment du couple de celui ci. Les relations entre les différentes grandeurs sont les suivantes : E k Ω Γ k I avec : E force électromotrice du moteur exprimée en volt Ω vitesse de rotation du moteur exprimée en radian / seconde k constante électromécanique du moteur exprimée en Newton mètre / ampère Γ moment du couple du moteur exprimé en Newton mètre I Courant dans le moteur exprimé en ampère Schéma équivalent du moteur à courant continu : U I R Moteur à courant continu alimenté par une tension U parcouru par un courant I de résistance interne R et de force électromotrice E. On en déduit la relation : E = U R.I E Moteur Des relations précédentes on peut déduire : Ω = ( U R.I ) / k on sait également que : Γ = k I K et R sont des constantes propres au moteur qui ont les valeurs suivantes pour le moteur Graupner 600: K = 0.005 Nm/A R = 0.12 Ohm On pourra donc facilement calculer Ω et Γ pour tous les points U et I mesurés. On aura ainsi les caractéristiques mécaniques vitesse et moment du couple à partir de mesures électriques sur le moteur. Lycée Sud Médoc 33320 Le Taillan-Médoc Page 4 sur 6
Variateur LRP RUNNER Caractéristiques techniques : Tension nominale 8,4V Courant nominal 20A Courant maximum 40A Courant de pointe 80A Tension de commande 5V Fréquence du hacheur 1250Hz Hacheur 4 quadrants Repérage de la connectique Constitution et principe de fonctionnement du variateur LRP Runner Le variateur LRP Runner est un hacheur à transistors 4 quadrants. Il permet à partir d une source continue fixe d obtenir une tension dont la valeur moyenne positive ou négative est variable. Le courant dans ce hacheur peut aussi s inverser. Ces caractéristiques électriques permettent lorsque le hacheur est associé à un moteur à courant continu d obtenir du moteur un fonctionnement dans les 4 quadrants de la caractéristique couple = f ( vitesse ). Quadrant 2 : 350 Vitesse négative (marche avant) 300 Puissance négative (le moteur 250 freine le véhicule en marche 200 arrière) 150 L énergie de freinage du moteur est 100 renvoyée dans la source (batterie) 50 Quadrant 3 : Vitesse négative (marche arrière) Puissance positive (le moteur entraîne le véhicule) Γ (m Nm ) Quadrant 1 : Vitesse positive (marche avant) Puissance positive (le moteur entraîne le véhicule) Ω (rd/s) 0 200 600 1000 1400 1800 Quadrant 4 : Vitesse positive (marche avant) Puissance négative (le moteur freine le véhicule) L énergie de freinage du moteur est renvoyée dans la source ( batterie) Zones de fonctionnement du moteur Graupner 600 Associé au variateur LRP 8305 Lycée Sud Médoc 33320 Le Taillan-Médoc Page 5 sur 6
Synoptique de la chaîne de transmission d énergie du véhicule électrique Organes électriques Organes mécaniques Transm ission d énergie électrique : Transm ission d énergie m écanique : Tension continue fixe 8,4V Signaux de commande du récepteur Batterie 8,4V ou Alimentation continue 8,4V Variateur LRP Runner Tension continue variable 7,7V à 7,7V Ensemble roue pignon Rapport 15/42 Axes des roues Moto réducteur Speed Gear 600 Différentiel Rapport 11/37 Moteur à courant continu Réducteur Rapport 1/2,8 Arbre de sortie du moteur (invisible) Arbre de sortie du motoréducteur Arbre de transmission Lycée Sud Médoc 33320 Le Taillan-Médoc Page 6 sur 6