Commande à vitesse variable d`un moteur à courant continu par

Commande à vitesse variable d'un moteur à courant continu par hacheur
(J.Beille - [email protected] Version Février 01)
Figure 1
Figure 2
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Moteur à courant continu commandé par hacheur
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
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TP 1
Commande à vitesse variable d'un moteur à courant continu par hacheur
I.1. Conception générale du TP
Le moteur étudié est du type "Axem" à rotor plat et à aimant permanent; ces moteurs, qui
présentent une très faible inertie mécanique, sont très bien adaptés aux applications nécessitant
des variations rapides de vitesse de rotation (périphériques d'ordinateurs, robotique, etc...). Ils
sont toujours commandés par un ensemble électronique comportant une alimentation de
puissance avec une électronique de commande réalisant un asservissement. Dans notre cas, un
commutateur permet de travailler soit en asservissement du couple (courant de l'induit maintenu
constant), soit en asservissement de la vitesse, suivant le schéma de principe suivant :
I.2. Description de l'appareillage :
L'appareillage est représenté sur la photographie, figure 1 et sur le schéma synoptique
d'ensemble.de la figure 2. Il comprend :
1. un ensemble de commande : transformateur-boîtier de commande-pupitre synoptique,
2. un bloc actif : Moteur-Dynamo Tachymétrique-Génératrice de charge avec self de lissage du
circuit d'induit,
3. une boîte de résistance de charge de la génératrice. Les résistances sont montées en parallèle.
La résistance résultante quand toutes les résistances sont branchées est 4,6 Ohm.
Le but du TP est d'étudier le comportement du hacheur, de caractériser l'asservissement du couple
et de celui de la vitesse, d'étudier les caractéristiques du moteur en profitant de conditions stables
grâce à l'asservissement électronique.
II. Câblage:
Caractéristiques de la plaque signalétique du moteur : Un = 65 V, In = 8 A, Nn = 3000 tr/mn,
Cn = 1,27 Nm, Pn = 400 W, E = 17,5 V pour 1000 tr/mn.
La constante kE de la relation E = kE Ω est donc : kE = 0,1671 Vs/rd et kc de la relation
Cem = kc IM est kc = 0,1671 Nm/A. On pourra aussi utiliser la relation : E = k'n N avec
k'n = 17,5.10-3 V/(tr/mn).
Pour la Dynamo Tachymétrique, la tension délivrée est de 5 V pour 1000 tr/mn (on pourra utiliser
la relation : UDT = k'DT N avec k'DT = 5 .10-3 V/(tr/mn).
L'étudiant doit réaliser les connexions suivantes :
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•
connexions entre les bornes de sortie du hacheur sur le pupitre synoptique et les bornes
d'alimentation du circuit induit Moteur M (les selfs de lissage et la résistance de mesure du
courant doivent être dans le circuit). Brancher un voltmètre continu à aiguille UM en parallèle sur
ces bornes. Brancher un contrôleur (position ampèremètre continu, calibre 10 A=) en série sur un
fil d'alimentation du moteur pour mesurer IM.
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Figure 3
Figure 4
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• connexions entre les cosses de sortie de la Dynamo Tachymètrique DT sur le bloc moteurgénérateur et les cosses du pupitre reliées au comparateur du boîtier de commande. Brancher un
contrôleur (position voltmètre) pour la mesure de UDT aux bornes de la dynamo tachymétrique.
• connexions entre les cosses de sortie de la Génératrice de charge G sur le bloc moteurgénérateur et les cosses de la boîte des résistances de charge. Brancher un contrôleur en parallèle
sur la résistance de charge (tension continue UG). Insérez un contrôleur en position ampèremètre
continu, calibre 10 A=, (IG) dans le circuit de la génératrice.
• branchement des châssis à la terre de l'installation
• branchement de l'oscilloscope : Branchez la masse sur la cosse permettant de visualiser, sur
une voie la tension à la sortie du Hacheur (à l'entrée de l'ensemble selfs-moteur-résistance de
visualisation courant), sur l'autre la tension aux bornes de la résistance de 0,1 Ohm de
visualisation du courant sur le pupitre synoptique.
Un certain nombre de sécurités peuvent bloquer la commande du hacheur (absence ou mauvais
branchement de la génératrice tachymétrique..). Le voyant "défaut" s'éclaire alors sur le pupitre.
Après avoir réparé le défaut, il faut activer le poussoir "RAZ" avant de redémarrer. Le pupitre
comprend un "verrou extérieur" permettant une pause dans le fonctionnement en bloquant les
transistors. On peut utiliser ce verrou, le temps d'un changement de calibre d'ampèremètre par
exemple.
III. Etude du hacheur :
III.1. Principe de la commande :
La commande est à Modulation de Largeur d'Impulsion (figure 3). La commande génère un
signal rectangulaire,de période T, de hauteur vs sur une portion de la période, et nul sur l'autre
portion. Elle utilise un comparateur : sur l'entrée (+) est appliqué le signal en dent de scie s(t), de
hauteur sm, sur l'entrée (-) est appliqué le signal de référence Vréf, tel que 0 < Vréf < sm. La tension
de sortie du comparateur est égale à 0 ou à sa tension de saturation vs. Le signal de sortie vs et son
complémentaire sont utilisés pour commander la base des transistors du hacheur.
III.2. Principe du hacheur :
Le hacheur, alimenté par la tension Uh, a une structure en "H" et permet un fonctionnement
"4 quadrants" (figure 4).
Fonctionnement en moteur dans le sens (+) : On convient que c'est le sens indiqué sur le boîtier
de commande.
T4 est saturé, T3 est bloqué : T1 et T2 sont commandés de façon complémentaire avec le rapport
cyclique a :
0 < t < αT : T1 et T4 sont passants; il y a transfert d'énergie du réseau vers le moteur et la bobine.
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αT < t < T : D2 et T4 sont passants; la bobine transfère de l'énergie au moteur dans une phase de
roue libre.
La tension moyenne aux bornes du moteur est positive UM = α Uh.
Fonctionnement en moteur dans le sens (-) : La position (-) du commutateur modifie les noms du
transistor saturé en permanence et des transistors commandés de façon complémentaire. T2 est
alors saturé en permanence, T1 bloqué : T3 et T4 sont commandés de façon complémentaire avec
le rapport cyclique α :
0 < t < αT : T3 et T2 sont passants; il y a transfert d'énergie du réseau vers le moteur et la bobine.
αT < t < T : D4 et T2 sont passants; la bobine transfère de l'énergie au moteur dans une phase de
roue libre.
La tension moyenne aux bornes du moteur est négative UM = - α Uh.
Question : Expliquez
- quel est le rôle du condensateur
- quel est le rôle du 5ème transistor et de la résistance en série. Quand doit-il être commandé ?
III.3. Etude du hacheur :
Etalonnage préliminaire de la dynamo tachymétrique : A vide, se mettre en régulation de vitesse
et amener la vitesse aux environs de 1500 tr/mn. Stroboscopez un point du manchon
d’accouplement, sur la position 50 Hz et commandez le hacheur pour stabiliser ce point. Le
moteur tourne alors à 1500 tr/mn. En effet le moteur fait alors un demi tour entre 2 flashs du
stroboscope. En déduire la constante exacte de la dynamo tachymétrique.
Observation de l'asservissement :
Régulation de vitesse : Rester en régulation de vitesse. Régler la fréquence à 2000 tr/mn, à
vide. Sans modifier la position du potentiomètre de consigne, mettre la résistance de charge à 100
Ohm, puis diminuer la résistance équivalente en ajoutant des résistances en parallèle. Observer
les effets de la régulation de vitesse : pour cela, relever pour les différentes charges : UDT, IM, IG.
Interprétez vos observations.
Régulation de couple : (c.a.d. de courant absorbé par le moteur) : Ce fonctionnement est
dangereux. Faites-le en présence de l'enseignant. Se mettre en régulation de couple à l'arrêt.
Brancher toutes les résistances de charge.(résistance équivalente minimum) Augmenter
progressivement la consigne jusqu'à ce que le courant absorbé atteigne une valeur moyenne de 4
A. Relevez alors la vitesse. Sans modifier la position du potentiomètre de consigne, augmentez
progressivement la résistance de charge en supprimant des résistances en commençant par les
plus grandes. Laissez au minimum 11 Ω car une résistance de charge trop grande emballe le
moteur.
Relevez pour les différentes charges : UDT, IM, IG. Interprétez vos observations.
Observation de l'effet du rapport cyclique :
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a) Se mettre en régulation de vitesse.
Mettre toutes les résistances en parallèle. En partant d'une fréquence de rotation nulle
augmentez la consigne jusqu'à atteindre 50 V aux bornes du moteur, en relevant les mesures
suivantes (prendre par exemple des points tous les 400 tr/mn) :
UM d'après le voltmètre continu, UDT, la valeur du rapport cyclique a d'après les mesures à
l'oscilloscope. Déterminez aussi la fréquence f du hacheur et sa période T. Au dessus de
2500 tr/mn (UDT = 12,5 V) faire les mesures rapidement et redescendre la vitesse à la fin pour ne
pas faire chauffer le moteur.
Tracez :
1) UM en fonction de α.
2) La fréquence de rotation N en fonction de α.
Présentation des résultats :
UDT
UM
N
α
Commentez les courbes obtenues.
b) Se mettre en régulation de couple (il y a alors moins de parasites sur la visualisation du
courant) :
Gardez toutes les résistances branchées. Pour diverses valeurs du rapport cyclique entre 0
et 1 (5 à 6 points), mesurez IM, déterminez, malgré les parasites, ∆I = Imax - Imin à partir des
valeurs extrêmes de la plus grande des deux rampes à pente positive ou négative du courant sur
une période.
Présentation des résultats :
IM
∆I
α
Tracez ∆I en fonction de α. Comparez la variation expérimentale avec la variation
U .α.(1 − α)
théorique ∆I = h
. La valeur de la self inductance L est 1 mH.
f .L
A la fin de cette expérience repassez en régulation de vitesse.
IV. Etude du Moteur :
IV.1. Rappel : bilan des puissances
Certaines pertes n'existent pas dans le cas du moteur Axem à rotor plat :
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- le rotor ne comporte pas de fer : il n'y a pas de pertes fer rotor
- l'excitation est fournie par un aimant permanent, ce qui ne nécessite pas d'énergie.
D'où le bilan des puissances simplifié :
IV.2. Détermination des pertes
IV.2.1. Détermination de la résistance d'induit, Rind :
Il faut connaître la résistance de l'induit. On rappelle que pour cela on peut tracer UM(IM) et
UG(IG) à charge variable et à vitesse constante : la pente est la résistance cherchée. Pour cela, en
position régulation de vitesse, on peut régler, à vide, la fréquence à 2000 tr/mn et faire le premier
point de mesure. On branche ensuite 100 Ω pour un nouveau point, puis on diminue la résistance
de charge à partir de 100 Ω en ajoutant des résistances en parallèle. Relever UM, IM, UG, IG.
Tracez UM(IM) et UG(IG) sur le même graphe. En déduire la résistance de l'induit, Rinduit.
Présentation des résultats :
UM
IM
UG_
IG
IV.2.2. Détermination des pertes mécaniques :
On demande de déterminer les pertes mécaniques par un essai à vide. Enlevez toutes les
résistances de charge. En position régulation de vitesse, pour diverses valeurs de la vitesse,
relevez UM, IM, UDT. En supposant les machines identiques, les pertes mécaniques de l'ensemble
sont doublées. On a :
Pabsorbée − P j
Pabsorbée = UM IM = Pj + 2 Pm, où Pj = Rinduit IM2 et Pm =
2
On demande de calculer et tracer Pm = f (N) pour 0 < N < Nn.
Présentation des résultats :
UM
IM
Pabs
Pj
UDT
Pm
N
V. Caractéristiques C(IM) et C(Ν) et rendement à UM constante et charge variable (on
travaille en position régulation de vitesse)
1) Ajuster la tension moteur UM à 40 V à vide. Diminuez progressivement la résistance de charge
(commencez par brancher la résistance maximum puis branchez des résistances en parallèle).
Relevez IM, UDT en ajustant UM à 40 V pour chaque point. Pour chaque point, calculez Cem
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Pabsorbée − P j
Pabsorbée − P j − Pm
) et Cu.(Cu =
) en déduisant Pm de la courbe tracée en
Ω
Ω
IV.2. Calculez la puissance utile Pu = Cu Ω et le rendement η
( Cem =
Présentation des résultats :
1)
IM
UDT
Pabs
Ω
2)
IM
Pabs
Pj
Pu=CuΩ
Pm
Cem
Cu
N
η=Pu/Pabs
Tracez les courbes de a) Cem(IM) et Cu(IM) sur le même graphe, b) Cu(N), η(IM).
2) Même travail en ajustant UM à 30 V à vide.
Interprétez les courbes obtenues.
VI. Caractéristiques UM(N) à couple constant (on travaille en position régulation de couple)
Attention : Ce fonctionnement est dangereux et doit être fait en présence d'un enseignant. Dans ce
fonctionnement la génératrice ne doit jamais fonctionner à vide et ne doit pas débiter dans une
résistance trop importante.
1) A l'arrêt, branchez toutes les résistances. Démarrez et réglez le courant moteur IM sur 1A.
Enlevez progressivement les résistances de la plus grande vers la plus petite en laissant 11 Ω.
Relevez chaque fois IM, IG, UM, UDT, calculez N.
Remettez toutes les résistances, enlevez 11 Ω, Enlevez progressivement les résistances de la plus
grande vers la plus petite en laissant 22 Ω. Continuez ainsi, en surveillant la vitesse. S'arrêter dès
que la vitesse approche la vitesse nominale.
Présentation des résultats :
IM
IG
UM
UDT
N
2) Recommencez pour IM = 2 A puis IM = 3A.
3) Tracez les trois courbes de UM = f(N) pour IM = 1, 2, 3 A sur le même graphe. Interprétez les.
Commentez le comportement de IG par rapport à IM.
A la fin de la séance, mettre toutes les alimentations à 0 et placer le Hacheur sur la position
"régulation de vitesse".
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