Moteur à courant continu I Présentation

TP Conversion de puissance – 4
Moteur à courant continu
I
Présentation
1 Caractéristiques nominales
2 Caractéristique de la génératrice tachymétrique
3 Précaution
II Mesure de la résistance d’induit
III Essais à vide
1 Mesure de la constante de flux
2 Réglage de la vitesse à vide
3 Détermination des pertes fer et des pertes mécaniques
IV Essai en charge
1
1
1
1
2
2
2
4
5
7
I Présentation
Génératrice
Moteur
Le ban d’étude est constitué :
• d’un moteur à courant continu. L’inducteur est le stator
de la machine, l’induit est le rotor.
• une génératrice synchrone tachymétrique qui permet de
mesurer la vitesse de rotation
• d’une génératrice à courant continu. Cette génératrice est
identique au moteur.
Les arbres de ces trois éléments sont reliés : ils tournent à la
même vitesse angulaire.
M
GST
Inducteur Induit
G
Induit Inducteur
1 Caractéristiques nominales
Relever les caractéristiques nominales du moteur indiquées sur la plaque signalétique :
Inducteur
Induit
𝐼u�u� =
𝑈u� =
𝐼u� =
𝑛u� =
2 Caractéristique de la génératrice tachymétrique
La génératrice comporte 𝑛u� = 12 paires de pôles. On note Ω sa vitesse de rotation et 𝑓 la fréquence de la tension à ses
Ω
bornes : 𝑓 = 𝑛u�
2𝜋
Ω
On note 𝑛 la vitesse de rotation exprimée en tours/min. : 𝑛 =
∗ 60
2𝜋
60
Donc 𝑛 =
𝑓 = 5𝑓
𝑛u�
La mesure de la fréquence 𝑓 de la tension aux bornes de la génératrice tachymétrique permet donc de connaître la vitesse
de rotation 𝑛 du moteur.
3 Précaution
• Le démarrage de la machine doit s’effectuer sous tension réduite :
1. La tension aux bornes de l’induit étant nulle, on règle l’intensité dans l’inducteur à la valeur voulue.
2. On augmente progressivement la valeur de la tension aux bornes de l’induit.
• Ne pas brancher ou débrancher de fils lorsque les générateurs délivrent des tensions.
• La vitesse de rotation ne doit pas dépasser 1, 5 fois la vitesse nominale.
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Moteur à courant continu
II Mesure de la résistance d’induit
Montage 1 : Mesure de la résistance d’induit
𝑈u�
A
𝐼u�
V
Génératrice
Moteur
M
GST
Inducteur Induit
G
Induit Inducteur
â L’alimentation de l’induit du moteur peut délivrer 5 A sous 24 V.
â Le voltmètre et l’ampèremètre sont des multimètres numériques qui mesurent des grandeurs continues.
o Réaliser le montage 1. Régler le générateur pour que l’intensité du courant qui traverse l’induit soit de 5 A environ.
o Mesurer 𝐼u� et 𝑈u� : en déduire la valeur de la résistance de l’induit.
On mesure 𝐼 = 5,00 A et 𝑈 = 4,77 V
Donc 𝑅 = 0,954 Ω
o La mesure de 𝑅 a été faite a froid. Lorsque le moteur est chaud, la résistance de l’induit est 𝑅′ = 1, 25𝑅. Cette valeur sera
utilisée dans la suite.
III Essais à vide
1 Mesure de la constante de flux
Montage 2 : Mesure de la constante de flux
â Le fréquencemètre relié aux bornes
de la GST est un multimètre numérique.
â L’alimentation de l’induit du moteur
peut délivrer 5 A sous 24 V.
â L’alimentation de l’inducteur peut
délivrer 1 A sous 24 V.
â Les ampèremètres sont des multimètres numériques qui mesurent des
A
grandeurs continues.
𝐼u�
â La tension aux bornes de l’induit
sera lue sur le voltmètre de l’alimen-𝑈
u�
tation.
𝑈u�
A
𝐼u�
F
Génératrice
Moteur
M
Inducteur Induit
GST
G
Induit Inducteur
Moteur à courant continu
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o Réaliser le montage 2. Régler l’alimentation de l’inducteur de telle sorte que l’intensité qui le traverse soit égale à la valeur
nominale 𝐼u� = 0,6 A. On veillera à garder cette valeur constante pendant toute cette mesure.
o Pour plusieurs valeurs de la tension 𝑈u� , mesurer 𝐼u� et 𝑛.
o Tracer le graphique représentant 𝐸 = 𝑈u� − 𝑅′ 𝐼u� en fonction de la vitesse de rotation 𝑛.
24
22
20
18
16
𝐸/V
14
12
10
8
6
4
2
0
0
500
1 000
1 500
2 000
𝑛/(tr/min)
o En déduire la valeur de la constante de flux Φ0 telle que : 𝐸 = Φ0 Ω.
La constante est Φ0 = 0,059 Wb
2 500
3 000
3 500
4 000
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Moteur à courant continu
2 Réglage de la vitesse à vide
Montage 3 : Réglage de la vitesse à vide
â Le fréquencemètre relié aux bornes
de la GST est un multimètre numérique.
â L’alimentation de l’induit du moteur peut délivrer 5 A sous 24 V.
â L’alimentation de l’inducteur peut
délivrer 1 A sous 24 V.
â L’ampèremètre est un multimètre
numérique (en mode continu).
A
â La tension aux bornes de l’induit
𝐼u�
sera lue sur le voltmètre de l’alimentation.
𝑈u�
𝑈u�
A
𝐼u�
F
Génératrice
Moteur
M
GST
G
Inducteur Induit
Induit Inducteur
o Réaliser le montage 3. Régler la tension d’alimentation de l’induit à sa valeur nominale.
On veillera à garder cette valeur constante pendant toute cette mesure.
o Régler la tension 𝑈u� aux bornes de l’inducteur pour que la vitesse de rotation du moteur soit de 1, 5 fois sa valeur nominale.
o Pour plusieurs valeurs de la tension 𝑈u� , mesurer l’intensité à travers l’inducteur 𝐼u� et 𝑛. Dans cette expérience, la vitesse du
moteur diminue lorsque la tension 𝑈u� augmente.
o Tracer le graphique représentant la vitesse de rotation 𝑛 en fonction de l’intensité à travers l’inducteur 𝐼u� .
4 500
4 400
4 300
4 200
𝑛/(tr/min)
4 100
4 000
3 900
3 800
3 700
3 600
3 500
3 400
3 300
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
𝐼u� /A
o Si le milieu ferromagnétique qui constitue le rotor et le stator était linéaire, la courbe précédente serait une portion d’hyperbole. Commenter alors la courbe obtenue.
Moteur à courant continu
5/7
3 Détermination des pertes fer et des pertes mécaniques
On se propose de mesurer les pertes fer et les pertes mécaniques dans l’ensemble constitué du moteur et des deux génératrices
accouplées lorsque la moteur tourne à sa vitesse nominale.
Le bilan de puissance s’écrit ainsi :
•
•
•
•
•
La puissance électrique reçue par la machine à l’induit est 𝑃 = 𝑈u� 𝐼u� .
2
La puissance dissipée par effet Joule dans l’induit est 𝑃u� = 𝑅′ 𝐼u�
.
La puissance mécanique dissipée par les frottements est notée 𝑃u� .
La puissance perdue par hystérésis dans les matériaux magnétiques est nommée perte fer : 𝑃u� .
Le bilan de puissance est :
𝑃 = 𝑈u� 𝐼u� = 𝑃u� + 𝑃u� + 𝑃u�
Montage 4 : Mesure des pertes
â Le fréquencemètre relié aux bornes
de la GST est un multimètre numérique.
â L’alimentation de l’induit du moteur peut délivrer 5 A sous 24 V.
â L’alimentation de l’inducteur peut
délivrer 1 A sous 24 V.
â Les ampèremètres sont des multimètres numériques qui mesurent des
A
grandeurs continues.
𝐼u�
â La tension aux bornes de l’induit
sera lue sur le voltmètre de l’alimen-𝑈
u�
tation.
𝑈u�
A
𝐼u�
F
Génératrice
Moteur
M
Inducteur Induit
GST
G
Induit Inducteur
o La tension d’alimentation de l’inducteur 𝑈u� est réglée de telle sorte que la vitesse de rotation soit égale à la vitesse nominale
𝑛 = 3100 tr/min. On prendra garde à conserver cette vitesse pendant toute la mesure.
o Faire varier la tension 𝑈u� aux bornes de l’induit et mesurer l’intensité 𝐼u� qui traverse l’induit.
2
En déduire les valeurs de la force électromotrice induite 𝐸 = 𝑈u� − 𝑅′ 𝐼u� et des pertes 𝑃u� + 𝑃u� = 𝑈u� 𝐼u� − 𝑅′ 𝐼u�
= 𝐸𝐼u� .
2
o Tracer la courbe représentant la somme des pertes fer et mécanique 𝑃u� + 𝑃u� en fonction de 𝐸
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Moteur à courant continu
30
28
26
24
22
𝑃u� + 𝑃u� /(W)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
2
250
300
350
400
2
𝐸 /V
o Les pertes mécaniques sont indépendantes de 𝐸 et les pertes fer sont proportionnelles à 𝐸 2 : 𝑃u� = 𝛼𝐸 2 . Déduire de la
courbe précédente les valeurs de 𝑃u� et de 𝛼.
Moteur à courant continu
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IV Essai en charge
Montage 5 : Essai en charge
𝑈u�
A
𝐼u�
𝑅u�
F
Génératrice
Moteur
A
A
M
𝐼u�
GST
G
𝐼u�
𝑈u�
𝑈u�
Inducteur Induit
â
â
â
â
â
â
â
Induit Inducteur
Le fréquencemètre relié aux bornes de la GST est un multimètre numérique.
L’alimentation de l’induit du moteur peut délivrer 5 A sous 24 V.
L’alimentation de l’inducteur du moteur peut délivrer 1 A sous 24 V.
L’alimentation de l’inducteur de la génératrice peut délivrer 1 A sous 24 V.
Les ampèremètres sont des multimètres numériques qui mesurent des grandeurs continues.
La tension aux bornes de l’induit du moteur sera lue sur le voltmètre de l’alimentation.
La génératrice est chargée par un rhéostat de résistance variable 𝑅u� .
o Les courants qui traversent les inducteurs du moteur et de la génératrice sont réglés à leur valeur nominale et on veillera à
ce que ces valeurs restent constantes pendant toute le mesure.
o L’induit du moteur est réglé à sa valeur nominale 𝑈u� = 24 V. On gardera cette valeur constante.
o Faire varier la valeur de la résistance 𝑅u� du rhéostat. On mesurera plusieurs valeurs de l’intensité qui traverse l’induit du
moteur 𝐼u� ainsi que la vitesse de rotation du moteur.
A partir de ces mesures, on calcule :
• La puissance électrique totale reçue par l’induit : 𝑃 = 𝑈u� 𝐼u�
2
• Le puissance utile sur l’arbre : 𝑃u� = 𝑃 − 𝑅′ 𝐼u�
− 𝑃u� − 𝑃u�
Les pertes fer 𝑃u� et les pertes mécaniques 𝑃u� étant estimées à partir des résultats précédents.
𝑃
• Le rendement du moteur : 𝜂 = u� .
𝑃
𝑃u�
o Le couple utile : Γu� =
Ω
𝐼u� en A
𝑛 en tr/min
𝑃 = 𝑈u� 𝐼u� en W
2
𝑃u� = 𝑃 − 𝑅′ 𝐼u�
− 𝑃u� − 𝑃u� en W
𝜂
Γu� en N.m
o Commenter les valeurs obtenues.