Hacheur Commande en vitesse d un moteur 1 T.P. Hacheur Commande de vitesse d un moteur 1. Description du hacheur Le hacheur 4 quadrants utilisé est constitué de 2 sous-ensembles distincts (nous évoquerons rapidement le 3 ième sous-ensemble, module de dissipation) : 1.1. Générateur de commande MLI Il génère des signaux nécessaires à la commande des 4 interrupteurs commandés de l onduleur. Ces signaux sont disponibles sur les sorties notées «Kh1» et «Kb1» des BNC correspondantes. On récupère ainsi sur la borne «Kh1» un signal logique (0 à +15V) qui commande les interrupteurs Kh1 et Kb2 et son symétrique «Kb1» qui commande Kb1 et Kh2 : un niveau logique haut (+15V) sur l une des sorties signifie que les interrupteurs associés reçoivent un ordre de fermeture ; un ordre logique bas (0V) signifie que l interrupteur reçoit un ordre d ouverture. Leur rapport cyclique (définit comme le rapport du temps pendant lequel le signal est à l état haut par la période du signal) peut-être réglé soit par une tension continue entre 0 et 10V (pour un asservissement), soit par un potentiomètre (utilisé ici, à condition de positionner le sélecteur vers le haut). Le format de l entrée de commande de α est du type 0-10V : 0V correspond à α = 0,05 et 10V à α = 0,95. Vérifier le rôle des potentiomètres «fréquence» et «rapport cyclique». Régler le rapport cyclique à environ 1/3 et la fréquence à environ 500 Hz.
1.2. Les interrupteurs et l étage de puissance : Hacheur Commande en vitesse d un moteur 2 Ils sont au nombre de 8, associés 2 par 2, d un transistor en parallèle avec une diode tête-bêche. On peut désactiver (n.c. comme «non commandé») deux des 4 transistors, qui se comportent alors comme des interrupteurs constamment ouverts. Attention! La manipulation des sélecteurs d inhibition de Kh1 et Kb1 doit toujours se faire après avoir éteint l alimentation de puissance Pour l étude du hacheur série, on active (c.) par exemple le transistor du haut et désactive (n.c.) celui du bas. On pourrait aussi choisir le contraire Kh1 en nc et Kb1 en c. Les transistors Kh1 et Kb2 sont commandés simultanément. Il en est de même pour la paire de transistors Kb1 et Kh2. Chacun de ces transistors est isolé de la commande grâce à un optocoupleur d isolement. Ainsi, l alimentation de l étage puissance est complètement isolée de la masse du bloc commande. Cela permet de fixer arbitrairement le potentiel de mesure de l oscilloscope n importe où sur les bornes de puissance. Dans la configuration 1 quadrant, utilisée pour le hacheur dévolteur (ou hacheur série), les connexions à la source d entrée (générateur) et à la source de sortie (charge) se font autour de Kh1 et Kb1. En position nc sur Kb1 l interrupteur commandé reste en position bloquée (ouvert). Cependant, la diode dite de roue libre connectée en parallèle, intervient dans le schéma électrique. En position c sur Kh1, l interrupteur reçoit un ordre de commande en provenance de la commande MLI (commande à l ouverture ou à la fermeture selon l état haut ou bas du signal MLI). Pour l étude du hacheur série, on choisit d activer (c.) le transistor du haut et de désactiver (n.c.) celui du bas. Compléter le schéma électrique de l étage de puissance en indiquant le branchement de la source de tension d entrée et celui de la charge. 2. Hacheur série 2.1. Source d entrée : Elle est constituée d un générateur de tension continue +24V obtenue à partir d une alimentation stabilisée. Régler celle-ci de la façon suivante : potentiomètre de tension au minimum, on court-circuite la sortie de l alimentation. On augmente légèrement la tension jusqu à apparition d un courtcircuit que l on règle à 2A par le potentiomètre intensité. On règle enfin la tension en circuit ouvert à 24 V. Connecter l alimentation ainsi réglée entre les bornes rouge et noires de l étage de puissance. 2.2. Charge R,L : Elle est constituée d un rhéostat en série avec une bobine dont on mesurera préalablement la résistance. On appelle R la résistance de l ensemble (mesurable à l ohmmètre) et L l inductance de la bobine. Mesurer la résistance totale de la charge Placer la charge entre les bornes blanche et noire de l étage de puissance. 2
Hacheur Commande en vitesse d un moteur 3 2.3. Chronogrammes : Visualiser i C et u c (respectivement courant et tension dans la charge) et les représenter sur un chronogramme en concordance de temps. La mesure de i c s effectue directement via la sortie «I mesuré» avec la conversion 1V/A. 2.4. Fonctionnement général : On rappelle que dans ce cas, la source de sortie n étant pas considérée comme idéale, le courant i C (t) varie sous les formes suivantes (en appelant I min et I max les valeurs respectivement minimale et maximale de l intensité du courant i C (t) ) : " - durant la phase de croissance du courant : i C (t) = I min E % $ # R & 'exp " t % $ # τ '+ E & R " - durant la phase de décroissance (roue libre) : i C (t) = I max exp t αt % $ ' # τ & Les signaux étant relativement instables, effectuer des mesures moyennées à l oscilloscope : pour cela, dans le menu ACQUIRE, sélectionner «Moyennage» sur 64 valeurs par exemples. Revenir au menu MEASURE. Selon la mesure à effectuer on sélectionnera dans le menu Mesure, le «Type» C-C, Max, Min ou encore Moyenne, sur les voies 1 ou 2. Déduire de i C (t) la mesure de τ = L. En déduire la valeur de L et vérifier l accord avec la R valeur annoncée. Faire varier la valeur de α (5 valeurs) et mesurer (affichage à l oscilloscope directement) dans chaque cas i c t théorie. ( ) et u c ( t). Vérifier la concordance des deux derniers résultats avec la 2.5. Fonctionnement usuel (T<<τ) : ( ) tend à devenir triangulaire et que l ondulation est Montrer par la théorie, que, dans ce cas, i c t donnée approximativement par : Δi c E.T L α ( 1 α ) Régler R du rhéostat pour se mettre dans ce type de fonctionnement. Vérifier l influence de α ( (5 valeurs)) sur l ondulation Δi c (fonction Type C-C de l oscilloscope). Pour quelle valeur de α, Δi c est-elle maximale? Quel problème rencontre-t-on pour les grandes fréquences de hachage? L expliquer. Vérifier l influence de la fréquence de hachage sur l ondulation (tout en maintenant la condition τ >> T ).
Hacheur Commande en vitesse d un moteur 4 3. Application : alimentation d un MCC 3.1. Etude avec génératrice à vide Après avoir abaissé E à 20V, et réglé l intensité maximale du courant débité à 3,8 A (cf mode opératoire précédent), remplacer la charge R, L par le moteur Technosystème. Choisit une fréquence de hachage de l ordre de 1kHz et un rapport cyclique de l ordre de 0,5. Visualiser i C et u c (respectivement courant et tension dans la charge) et les représenter sur un chronogramme en concordance de temps. On observe nettement le problème de conduction discontinue. Quel est l état des interrupteurs du hacheur dans ce cas? Après avoir abaissé la tension d alimentation à 0V, interposer la bobine de 3 mh entre le hacheur et le moteur. Revenir à une tension de 20V. On justifiera son appellation de «bobine de lissage». La vitesse de rotation du moteur ω peut-être mesurée par la génératrice tachymétrique branchée sur l arbre moteur ou ici plutôt directement par la sortie BNC 6V/1000 tr.min -1 sur laquelle on branchera un voltmètre. On pourra en profiter pour mesurer la tension délivrée par la génératrice tachymétrique et la relier à ω. Vérifier l influence de α (5 valeurs) sur la vitesse de rotation du moteur, tout en continuant à observer i c (t) afin d éviter le phénomène de conduction discontinue. Faire un relevé de la vitesse angulaire en fonction du rapport cyclique. 3.2. Etude avec génératrice débitante Dans ce cas, la génératrice, branchée sur le rhéostat de la première partie, produit un couple résistant sur l arbre moteur : cela simule un moteur en charge. Brancher le rhéostat aux bornes de la génératrice. Comparer rapidement les nouvelles valeurs de ω à celles obtenues précédemment. Comment évolue ω lorsque R augmente? 4. Configuration 2 quadrants : réversibilité Le convertisseur dont nous disposons permet d activer d autres interrupteurs commandés (transistors). Attention à couper l alimentation du générateur avant de changer la position des sélecteurs d inhibition. 4.1. Schéma théorique Représenter le schéma théorique obtenu lorsque Kh1 et Kb1 sont commandés, la source et la charge étant connectés aux mêmes bornes que précédemment. Quel est l intérêt? 4.2. Hacheur 2 quadrants alimentant un MCC 4
Hacheur Commande en vitesse d un moteur 5 La nouvelle configuration ne change rien du point de vue de la transmission de puissance, hormis le fait que cette fois, on peut obtenir temporairement une inversion du signe du courant dans l induit du moteur. Cela correspondra à une inversion du signe du couple de la machine. On passe alors en mode de freinage par récupération d énergie. Afin de protéger le générateur d entrée de ce transfert d énergie, il est dans ce cas indispensable d activer le module de dissipation : celui-ci assure la dissipation d énergie cinétique qui survient lors du freinage. Le rhéostat de dissipation, connecté en parallèle sur l alimentation de puissance, évacue de manière thermique ce surcroit d énergie. Alimenter directement le MCC par le hacheur 2 quadrants sans la bobine de lissage. Observer i c (t) : la conduction discontinue a disparu et i c (t) peut devenir négative!
Hacheur Commande en vitesse d un moteur 6 Liste de matériel : Générateur tension continue Technosystème 0-60V Hacheur 4 quadrants Technosystème Inductance L=3mH 10A Rhéostat Metrel 16,5 Ω - 6,2 A Bloc moteur-génératrice Technosystème. Multimètre de table Oscilloscope Connectique adaptée fortes puissances. 6