TP7 :VARIATION DE VITESSE D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU AU MOYEN D'UN HACHEUR SERIE INTRODUCTION Initialement, les machines électriques ont été d'abord conçues pour travailler en un point de fonctionnement (le point nominal) pour lequel leur puissance massique et/ou leur rendement étaient optimisés. Cependant, pour les applications de traction ou encore dans les automatismes (robots industriels ou ménagers) de plus en plus nombreux, leur vitesse et leur couple varient constamment. La conception des machines a dû alors être peu à peu repensée : Il a fallu revoir fondamentalement leur construction, tant du point de vue des matériaux que des structures mécaniques. Désormais, on ne conçoit plus la machine pour elle-même, mais en tant que composant d un ensemble alimentation actionneur. La machine à courant continu a été historiquement la première utilisée pour cela, car la plus simple à mettre en œuvre pour réaliser des variateurs de vitesse. Bien qu'étant peu à peu supplantée par les moteurs à courant alternatifs (synchrone ou asynchrone, plus robustes et souvent moins coûteux), cette machine continue à être pédagogiquement intéressante car elle permet d'illustrer simplement les principes de base mis en œuvre dans les associations modernes convertisseur-machine. OBJECTIFS DE LA MANIPULATION Le but principal de cette manipulation est l'étude de la variation de vitesse d'un moteur à courant continu à aimants permanents au moyen d'un hacheur série (schéma ci dessous). C'est un ensemble utilisé par exemple pour la propulsion de véhicules électriques, (métro, voiture, TGV ) ou encore les appareils ménagers (les perceuses sans fil, robots de cuisine ). A partir d'une source de tension fixe, on peut ainsi ajuster le point de fonctionnement de la machine. Le hacheur série, commandé par modulation de largeur d'impulsion (M.L.I.), constitue une "source de tension moyenne" réglable et à haut rendement, compact et très souple d'utilisation. i e Convertisseur I S V e DC DC V S Sourc α Moteur à Courant Continu 1
A l'issue de la manipulation, (et après consultation du cours!), l'étudiant doit savoir aborder ou traiter les points suivants : - Variation de vitesse d'un moteur à courant continu : - Fonctionnement qualitatif, réglage de la vitesse par le rapport cyclique ; - Schéma équivalent de la machine à courant continue ; - Identification des paramètres de la machine par des mesures ; MATERIELS MIS À DISPOSITION - une alimentation continue réglable 0-60V/20A, - une platine de commande de hacheur (fig. 1), - un hacheur 80V/10A (fig. 2). - un rhéostat (33 Ω, 6 A), - une boîte de selfs, - un banc de machines à courant continu et à aimants permanents (300W, 60V), - une sonde de courant instantané (20A,), - un oscilloscope numérique. Figure 1 Figure 2 PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS Il est impératif de faire vérifier tous les montages à chaque modification. Ne pas dépasser 5 A de courant de charge moyen! Lorsqu'un nouveau montage est demandé, ne pas décâbler systématiquement le précédent avant d'avoir vérifié si une partie ne peut pas être conservée! 2
MANIPULATION 1 - MESURES PRELIMINAIRES SUR LA MACHINE A COURANT CONTINU A AIMANTS PERMANENTS. Un moteur à courant continu et à aimants permanents, fonctionnant à vitesse constante et traversé par un courant continu I possède comme modèle simplifié celui de la Figure 3. I r : résistance de l'induit (faible) V Figure 3 r + E m E m =k.ω (avec Ω en rad.s -1 ) : force contre-électromotrice C m =k.i : couple électromoteur (ou couple moteur) k est la constante de couple ou de force électromotrice, caractéristique de la machine. La réaction magnétique d'induit (champ créé par l induit perturbant le champ inducteur) est négligeable, à cause de l utilisation d aimants à l inducteur. Résistance r de l'induit : - Par une méthode volt-ampèremétrique, évaluer la résistance totale r de l'induit de la machine. Employer pour cela la source de tension continue réglable (0-60V/20A) et justifier l'utilisation ce cette méthode (courte ou longue dérivation) par rapport à l utilisation d un simple ohmmètre. Mesurer cette résistance pour 1 et 5 A. - Pourquoi doit-on bloquer le rotor de la machine? Constante de couple (ou de fem): - Toujours au moyen de la source de tension réglable (0-60V/20A) et en fonctionnement de la machine à vide, relever la vitesse de rotation et le courant absorbé lorsque la tension à ses bornes varie de 0 à 40V. La vitesse de la machine sera mesurée au moyen de la génératrice tachymétrique placée sur son arbre. (Cette génératrice produit 6V pour une vitesse de rotation de 1000tr.mn -1. On notera V th la tension aux bornes de cette génératrice). Compléter le tableau suivant : Tension d'alim V (V) 5 10 15 20 25 30 35 40 Tension tachy V th Courant absorbé I 0 D après les relevés précédents remplir le tableau ci-dessous : Vitesse de rotation Ν (tr/mn) Vitesse de rotation Ω (rd/s) Force contre-electromotrice E m (V) - A partir de ces mesures et connaissant la résistance r, tracer la courbe donnant la force (contre)électromotrice de la machine en fonction de la vitesse. En déduire la constante de fem ou de couple, k. 3
2- MONTAGE DU VARIATEUR DE VITESSE ET OBSERVATIONS A VIDE Le hacheur série, commandé par modulation de largeur d'impulsion (M.L.I.), constitue une "source de tension moyenne" réglable et à haut rendement, compacte et très souple d'utilisation comme nous l avons mis en évidence au TP précédent sur le convertisseur abaisseur de tension. On rappelle que le hacheur série est constitué d'un transistor MOS de puissance "IRF 540" et d'une diode rapide de puissance "BYW 81 PI 200". Le transistor est protégé en courant audelà de 10A. Remarque : Une mesure simple du rapport cyclique peut être réalisée en déplaçant la voie 1 de l'oscilloscope juste en sortie de la cellule hacheur. Cette remarque est valable pour toute la suite du TP. - Réaliser le montage de la Figure 4. Régler la source E à 40V et la fréquence de découpage à 10kHZ. Le bobinage de l induit (qui est au rotor pour une machine à courant continu) remplace l inductance utilisée dans le TP «Alimentation à découpage» et permet de lisser ainsi naturellement le courant. E 40V T D A i Charge CC v V Sonde de courant Oscillo voie1 masse oscillo (voie1) Oscillo voie2 masse oscillo (voie2) Figure 4 : Variation de vitesse d'un moteur à Courant Continu et à aimants permanents En régime de courant variable, le schéma équivalent du moteur de la Figure 3 doit être complété par l'inductance L du circuit induit (c.f. Figure 5). i(t) r v(t) L v L + E m Figure 5 - Expliquer pourquoi l inductance L n a pas été prise en compte dans la Figure 3. 4
- Faire varier le rapport cyclique et observer la forme de la tension v et du courant i aux bornes du moteur fonctionnant à vide. Pourquoi le courant présente-t-il une forme d'onde triangulaire? - Quelle est l influence de l ondulation de courant sur les pertes par effet joule dans la machine et le couple produit. Conclure. - Faire varier le rapport cyclique et observer que la vitesse du moteur augmente. Commenter? 3- FONCTIONNEMENT EN CHARGE - Réaliser le montage de la Figure 6. Placer un rhéostat de 33Ω, réglé à sa valeur maximale, en parallèle sur la seconde machine, qui fonctionne en génératrice. Insérer un ampèremètre afin de mesurer le courant moyen dans ce rhéostat. L ensemble (génératrice à courant continu + rhéostat variable) constitue pour le moteur M 1 une charge mécanique variable. - Quelle est la conséquence d un courant I 2 constant sur le couple de la génératrice M 2? - Ecrire le principe fondamental de la dynamique qui permet de dire que le couple C 1 du moteur M 1 est égal au couple C 2 de la génératrice. Quelles sont les hypothèses faites alors sur la courroie. Figure 6 - Faire 2 mesures pour 2 rapports cycliques différents en ajustant le rhéostat afin d obtenir un courant I 2 =1A. - Conclure sur ces 2 points de fonctionnement. (Ajuste la puissance fournie) - A partir du même montage, ajuster le rhéostat à 10 Ω. Bilan de Puissance Le rhéostat est réglé à 10Ω, déplacer l ampèremètre et l insérer afin de mesurer I s. Régler le rapport cyclique à 0,8. - Mesurer : V s = V th = I s = V 2 = - Déterminer analytiquement, puis à partir des mesures précédentes : La puissance fournie par la source P e ; La puissance fournie par le convertisseur P s ; La puissance électromécanique de M 1 P M1 ; La puissance électromécanique de M 2 P M2 ; La puissance dissipée dans le rhéostat P Rg. 5
- Estimer les pertes à partir des mesures. Déterminer les différentes causes de ces pertes. - Evaluer le rendement : du convertisseur ; du moteur (conversion électrique-électromécanique) ; de la conversion électromécanique (des 2 moteurs) + de la transmission mécanique (par courroie) ; de la conversion électromécanique à vitesse variable (Convertisseur + Moteur1). de l ensemble de la chaîne, entre la source électrique et le rhéostat R. g Figure 7 Point de fonctionnement Ajuster le rapport cyclique afin d atteindre une vitesse de 1500 tr/min. - A partir du modèle du moteur M 2 utilisé en génératrice, prédire la tension aux bornes du rhéostat. - Vérifier par la mesure cette prédiction Votre prédiction est exacte : Félicitations. Votre prédiction n est pas correcte voire totalement aberrante : Tout n est pas perdu, vous êtes sans doute bien meilleur prédicateur que beaucoup de voyants en tout genre. Conclusion Si le Moteur à Courant Continu est simple à mettre en œuvre et à commander en variation de vitesse, il présente toutefois divers inconvénients liés à la présence d'un organe spécifique, l'ensemble collecteur-balais. Celui-ci est responsable de la simplicité d utilisation du MCC, puisqu il transforme les courants et tensions internes, qui sont alternatifs, en grandeurs externes continues faciles à faire varier. Mais le collecteur est mécaniquement fragile, exige un entretien régulier, et doit être exclu de certains environnements explosifs ou corrosifs (gaz, poussières, humidité). Une solution a consisté à substituer au moteur à courant continu des moteurs à courant alternatif associés à des convertisseurs statiques qui jouent le rôle de l'ensemble collecteur-balais. L association convertisseur actionneur ainsi obtenue se comporte alors, vis à vis de l'utilisateur, comme un moteur à courant continu "sans balai". Pendant longtemps, l association convertisseur-machine s est limitée aux très gros moteurs synchrones alimentés par des groupes à thyristors, de même structure que les redresseurs, mais fonctionnant en régime "onduleur assisté par le réseau", dans des gammes où il aurait été déraisonnable de construire des moteurs à courant continu. Ces dernières années, grâce aux progrès simultanés des machines, de l électronique de puissance et de la microélectronique, on a vu se généraliser cette évolution sur toute la gamme des machines. En particulier dans le domaine des servomoteurs (ventilateurs de pc, disques durs ), avec un développement 6
supplémentaire dans la direction des machines spéciales, comme les machines à réluctance variable ou les moteurs pas à pas hybrides. Les dispositifs pour faire de la variation de vitesse sont actuellement très diversifiés. Notons simplement que les problèmes posés par le collecteur mécanique sont maintenant renvoyés sur l électronique d'alimentation. Cette dernière a elle aussi des limitations, mais qui sont toujours repoussées par ses progrès permanents. 7