Moteur asynchrone sur onduleur chargé par machine courant continu Plate forme 3E Électricité Electronique Electrotechnique C E S I R E Université J Fourier Grenoble

Fourier Grenoble

Description

Niveau: Supérieur
Moteur asynchrone sur onduleur chargé par machine à courant continu Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble 1 Commande par onduleur d'un moteur asynchrone chargé par une machine à courant continu débitant sur une résistance de charge (J.Beille Version Février 01) I. Conception générale du TP: Le moteur asynchrone (à rotor à cage) étudié sera alimenté par un onduleur autonome à fréquence variable. La tension continue d'entrée de l'onduleur est fournie par un pont redresseur monophasé commandé à quatre thyristors. On considèrera que la puissance électrique absorbée par le moteur est égale à la puissance électrique continue fournie par le redresseur. Le moteur asynchrone entraîne une machine à courant continu (du type AXEM à rotor plat), utilisée en générateur débitant dans une résistance de charge qu'on peut faire varier par valeurs discrètes. II. Lecture des caractéristiques des moteurs, repérage de l'appareillage et câblage: II.1. Moteur asynchrone : Relevez les données de la plaque signalétique. La représentation des enroulements apparaît figure 1. Déterminez le couplage qui correspond aux conditions nominales. Mesurez à l'aide d'un contrôleur sur la position ohmmètre la résistance d'un enroulement. Le châssis vertical porte, de la gauche vers la droite : l'alimentation secteur, l'unité de commande à MLI, N°Ê735Ê291, une boîte de connexion 735 296 intermédiaire, enfin l'onduleur proprement dit N° 735 0295.

• contrôleurs sur les bornes de sortie de la dynamo tachymétrique


• couplage triangle des enroulements


• onduleur


• enroulements stator en triangle


• génératrice mcc de façon


• série sur le circuit de puissance


• fréquence


• beille beille


• moteur asynchrone

Sujets

• Charge (instrument)
• Grenoble
• Onduleur
• Fréquence
• Machine asynchrone

Informations

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Extrait

Moteur asynchrone sur onduleur chargé par machine à courant continu

Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble

1

Commande par onduleur d'un moteur asynchrone chargé par une machine à

courant continu débitant sur une résistance de charge

(J.Beille

[e-mail]

Version Février 01)

I. Conception générale du TP:

Le moteur asynchrone (à rotor à cage) étudié sera alimenté par un onduleur autonome à fréquence

variable. La tension continue d'entrée de l'onduleur est fournie par un pont redresseur monophasé

commandé à quatre thyristors. On considèrera que la puissance électrique absorbée par le moteur

est égale à la puissance électrique continue fournie par le redresseur.

Le moteur asynchrone entraîne une machine à courant continu (du type "AXEM" à rotor plat),

utilisée en générateur débitant dans une résistance de charge qu’on peut faire varier par valeurs

discrètes.

II. Lecture des caractéristiques des moteurs, repérage de l'appareillage et câblage:

II.1. Moteur asynchrone :

Relevez les données de la plaque signalétique. La représentation des enroulements apparaît figure

1. Déterminez le couplage qui correspond aux conditions nominales. Mesurez à l’aide d’un

contrôleur sur la position ohmmètre la résistance d’un enroulement.

Le châssis vertical porte, de la gauche vers la droite : l'alimentation secteur, l'unité de commande

à MLI, N° 735 291, une boîte de connexion 735 296 intermédiaire, enfin l'onduleur proprement

dit N° 735 0295.

II.2. Moteur à courant continu :

Les caractéristiques du moteur données par le constructeur sont:

U

cc,n

= 65 V, I

cc,n

= 8 A, N

n

= 3000 tr/mn, C

cc,n

= 1,27 Nm, P

n

= 400 W, E = 17,5 V pour

1000 tr /mn.

L’expression du couple utile C

cc

est donnée (le grandeurs étant exprimées en valeur absolue):

En générateur :

06

,

0

I

167

,

0

C

cc

cc

+

=

en N.m

Sensibilité de la dynamo tachymétrique : 5 V pour 1000 tr/mn.

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Figure 1

Figure 2

Figure 3

II.3. Câblage du montage :

Moteur asynchrone :

•

Amenez le 220 V alternatif à l'onduleur

(bornes N et L)

•

Câblez les enroulements stator en triangle (schéma des enroulements donné figure 1)

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•

Raccordez les trois phases du moteur aux bornes Ph1, Ph2, Ph3 de l'onduleur

•

connectez le bilame d’échauffement du moteur à l'entrée sécurité correspondante sur

l'onduleur.

Branchement des appareils de mesure :

•

Pour l'ensemble moteur asynchrone et sa commande : branchez des contrôleurs entre U

Z-

et

U

Z+

(tension continue U

ond

), entre A et U

Z+

(tension continue UZA permettent d'obtenir le courant

absorbé par l'onduleur Iond = U

ZA

/0,05 = 20 U

ZA

), entre Ph1 et Ph2 branchez le voltmètre

alternatif à aiguille du banc vertical (tension alternative composée U

as

). Branchez un contrôleur

en série sur la sortie Ph1 pour mesurer le courant ligne I

as

(position courant alternatif, calibre 10

A).

Pour l'ensemble moteur à courant continu et sa commande : Branchez des contrôleurs sur les

bornes de sortie de la dynamo tachymétrique (tension continue U

DT

) et en série sur le circuit de

puissance de l'induit (ampèremètre continu, calibre 10 A pour mesurer le courant moteur I

cc

). On

branchera sur les cosses de l'induit moteur le voltmètre continu à aiguille du banc vertical

(tension moteur continue U

cc

).

Repérage des modes de fonctionnement de l'unité de commande à MLI (schéma figure 2):

Sur l'unité de commande à MLI on dispose d'un "Display Mode" permettant la sélection d'une

parmi 7 grandeurs, par impulsions sur le bouton poussoir correspondant. On dispose aussi d'un

"Input Mode" : on peut choisir un mode d'entrée des données par voie analogique (tension entre -

10 et +10 V), par action impulsionnelle, par voie digitale (interface série ou parallèle). On

utilisera l'action impulsionnelle. Voici la signification des différents symboles :

U : Tension moteur U

as

délivrée par l'onduleur (cette tension est calculée en fonction de la fréquence du courant

moteur et tient compte de la chute de tension ohmique si KR est # 0)

C : Courant mesuré moteur I

as

F : Fréquence f

mot

des tensions et courants moteur délivrés par l'onduleur (cette fréquence est égale à la fréquence de

consigne f

c

définie plus bas, s'il n'y a pas compensation du glissement, sinon elle tient compte de la valeur du

glissement)

P : Puissance nominale du moteur

0 :Tension nominale U

n,as

1 : Courant nominal I

n,as

2 : Fréquence nominale

3 : Valeur de consigne de la fréquence f

c

4 : Limite du courant

5 : Limite de fréquence

6 : Temps de montée de la fréquence moteur après un saut de 100 % de la consigne

7 : Constante de compensation du glissement (si elle est _ 0, elle intervient dans l'élaboration de f

mot

)

8 : Constante KR de compensation de chute ohmique dans les enroulements

9 : Tension de démarrage pour la génération d'un couple de décollage plus élevé

a : Constante U/f

c

b : Type de modulation

c : Courant magnétisant ou courant à vide (utilisé pour les calculs internes)

L'onduleur fonctionne à U/f

c

= cte en dessous de la tension nominale Un,mot. Ce

fonctionnement correspond à un flux magnétique maximum. Au dessus de la fréquence nominale

f

n,mot

, la tension est maintenue constante à U

n,as

. On est dans une zone d'affaiblissement de champ.

Le couple maximum décroît alors à fréquence croissante.

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Pour démarrer le moteur asynchrone : Dans "Display Mode", on sélectionne F, dans "Input

Mode", on sélectionne l'entrée impulsionnelle, on monte la valeur de la fréquence de 0 à la valeur

désirée.

Pour arrêter le moteur asynchrone : On abaisse la fréquence jusqu'à 20 Hz, puis on coupe

l'alimentation de l'onduleur.

Générateur continu :

Branchez l’induit du générateur sur la boîte de résistances de charge en mettant un contrôleur-

ampèremètre en série pour la mesure du courant I

cc

et contrôleur-voltmètre en parallèle pour la

mesure de U

cc

.

III. Etalonnage de la dynamo tachymétrique :

Toutes les résistances étant déconnectées, démarrez le moteur asynchrone et réglez l'onduleur à

une fréquence f

c

= 50 Hz. En raison des pertes mécaniques, la fréquence du moteur asynchrone

est légèrement inférieure à 3000 tr/mn.

Stroboscopez un point du manchon d’accouplement sur la position 50 Hz. A l’aide d’un

chronomètre, mesurez le temps correspondant à un certain nombre de tours relatifs (10 par

exemple). Vous pouvez en déduire le faible glissement à vide et la constante k de la relation

N = k U

DT

où N est la fréquence de rotation et U

DT

la tension délivrée par la dynamo

tachymétrique.

IV. Effet de la compensation de glissement :

On met en évidence ici une des possibilités de compensation en électronique de puissance.

La notice du constructeur dit : "la valeur 100 pour le paramètre 7 signifie qu'à charge nominale,

la fréquence est augmentée juste assez pour que la vitesse du moteur ne baisse pas par rapport par

rapport à la vitesse en marche à vide et qu'il y ait compensation du glissement". On veut vérifier

l'effet de cette compensation.

Expérience à réaliser :

•

Vérifiez que la valeur par défaut du paramètre 7 est 0. Repassez sur "fréquence", démarrez le

moteur et amenez sa fréquence de rotation à 50 Hz. Notez U

DT

. Chargez la génératrice M

cc

de

façon que la fréquence de rotation prenne la valeur nominale de 2800 tr/mn. Notez I

cc

(qui

correspond donc au couple nominal de M

as

) et la valeur de U

DT

correspondante.

•

Mettez le paramètre 7 à la valeur 100. Notez U

DT

. Chargez la génératrice M

cc

de façon que la

génératrice débite la valeur de I

cc

précédente (couple nominal) et observez l’évolution

automatique de la fréquence de l’onduleur au cours de la charge. Quelle est alors la valeur de

U

DT

correspondante ?

•

Procédez de la même façon pour la valeur 200 du paramètre 7.

La notice est-elle vérifiée ? Comment la commande de l’onduleur réalise l’ajustement ?

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V Caractéristiques mécaniques étoile-triangle :

Le but de cette partie est de tracer les caractéristiques C

as

(N) pour f

s

= 50 Hz pour un couplage

triangle des enroulements, puis pour un couplage étoile afin de les comparer.

Après avoir réglé la fréquence de l’onduleur à 50Hz, chargez la génératrice progressivement en

diminuant la résistance de charge. Combinez les résistances de façon à avoir le plus de points

possible.

Relevez I

cc

, U

DT

et I

as

(pour contrôler la charge du M

as

).

Après avoir enlevé la charge, arrêtez l’onduleur et passez en couplage étoile. Faites vérifier votre

montage par l’enseignant. Procédez comme précédemment. A la fin de l’expérience, arrêtez

l’onduleur et repassez en couplage triangle pour l’expérience suivante.

Interprétation : Tracez les 2 courbes correspondantes. Prenez la moyenne de plusieurs

déterminations du rapport

ét

,

Cas

C

tr

,

as

pour plusieurs fréquences de rotation. Interprétez.

VI. Caractéristiques mécaniques pour diverses fréquences :

Il s'agit ici de tracer les caractéristiques mécaniques C

as

(N) pour diverses fréquences. Pour un

ajustement optimal des paramètres on attend un couple maximal constant en dessous de 50 Hz

zone où U

as

/f

c

= cte.

Sur l'UC à MLI entrez la valeur de la compensation IxR = 16

Faites des séries de relevés pour les fréquences de l’onduleur 50, 40, 30, 20, 10 Hz.

Entre deux tracés, laissez le moteur tourner à vide au moins 5 minutes pour qu'il refroidisse. Pour

30, 20 et 10 Hz, remontez à 50 Hz à couple minimum entre 2 cycles pour un refroidissement

efficace.

Pour chaque fréquence de l’onduleur, branchez progressivement les résistances en commençant

par les plus grandes, en prenant chaque fois des points de mesure. Il faut combiner les résistances

pour avoir le plus de points possibles.

Pour chaque fréquence, faites un relevé complet : U

ond

, I

ond

, U

as

, I

as

, U

cc

, I

cc

, U

DT

.

Faites une détermination complémentaire pour 50 Hz : en « display mode » à l’UC de l’onduleur,

changez la constante « a : U/f

c

». Mettez cette valeur à 3. Ceci aura pour effet d’affaiblir le

couple. Pour ce réglage, faites un relevé complet : U

ond

, I

ond

, U

as

, I

as

, U

cc

, I

cc

, U

DT

.

Attention : ne pas dépasser la valeur I

cc

= 8 A (laisser toujours 11

Ω

non connecté)

, et de

toute façon au dessus de I

cc

= 5 A et I

as

= 1,5 A, faire les mesures rapidement (par exemple

relevez U

AZ

, mais ne faites les calculs de I

ond

que lorsque les mesures sont finies et le moteur

arrêté).

Interprétation :

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A partir des mesures précédentes, on peut calculer la puissance apparente absorbée par le moteur

asynchrone

as

I

as

U

3

app

P

=

(U

as

est la tension composée du réseau ~ 400 V), la puissance

réellement absorbée P

as

= U

ond

I

ond

, le couple du moteur asynchrone C

as

, P

u

= C

as

Ω

r

.

On écrira que C

as

= C

cc

.

On peut calculer :

a)

C

cc

et C

as

à partir du courant I

cc

en utilisant la formule rappelée plus haut.

b)

le couple électromagnétique C

em

à partir du bilan de puissance (figure 3) : On a besoin pour

cela des pertes mécaniques et des pertes dans le fer au stator. On donne ces pertes à 50 Hz et on

les supposera constantes pour le calcul du couple pour la fréquence statorique de 50 Hz :

P

m

= 50 W et P

fs

= 50 W.

P

s

= P

as

– P

J,s

– P

fs

et

s

s

em

P

C

Ω

=

(ne calculer que les valeurs pour f

s

= 50 Hz

29.

c)

le facteur de puissance

app

as

P

P

cos

=

φ

.

d)

le rendement

as

u

P

P

=

η

Construisez le tableau suivant :

P

as

I

as

U

DT

N

calculée

P

app

C

as

P

u

C

em

cos

φ

η

On donne la résistance d’un enroulement pour le calcul des bilans de puissance : 38

Ω

à froid et

44

Ω

à chaud.

Faites les études suivantes :

a)

Tracé des caractéristiques de couple et rendement pour f

s

= 50 Hz :

Tracez sur la même feuille C

as

(N), C

em

(N) et

η

(N). Commentez ces courbes.

Déduire de vos courbes la valeur du couple nominal utile correspondant à la fréquence nominale

de la plaque signalétique.

Calculez aussi le couple utile nominal correspondant aux valeurs nominales de la plaque

signalétique. Faites un calcul d’incertitude et donnez un encadrement du couple nominal tenant

compte de la précision des appareils.

b)

Tracé des caractéristiques C

as

(N) du moteur M

as

pour f

s

= 50, 40, 30, 20, 10 pour U/f

c

= 4

(valeur par défaut). Comment se déduisent les courbes les unes par rapport aux autres ?

Tracez aussi la caractéristique pour f

s

= 50 Hz et U/f

c

= 3. Comment se compare-t-elle à la courbe

précédente relevée à f

s

= 50 Hz ? Commentez.

c)

Puissance absorbée, courant ligne et facteur de puissance :

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Pour f

s

= 50 Hz et U/f

c

= 4, tracez P

as

(N), I

as

(N), cos

φ

(N). Commentez les résultats. En

particulier, dites quel est le paramètre critique : I

as

ou cos

φ

?

VII Etude de l'onduleur

Cette partie est dangereuse ; elle est à faire en présence de l’enseignant.

a)

Branchez la sonde différentielle 1(rapport 1/100) du Tektronics sur une tension composée

U

12

.

b)

Branchez la deuxième voie du Tektronics entre la sortie mesure I

1

de la boîte de connexion

intermédiaire et « D ground » de la même boîte. Il s’agit d’une sortie mesure du courant ligne

I

1

, sortie sans contact (la tension délivrée est une tension « Hall » proportionnelle au courant.)

Alimentez le moteur asynchrone par l’onduleur, le moteur à courant continu à vide. Faites des

observations pour 37 Hz. Répondre aux questions suivantes :

a)

Quelle est la forme de la tension à l’échelle de 2 périodes dans l’écran ? Quelle est sa

structure fine : raccourcissez l’échelle des temps pour répondre.

b)

Quelle est la forme du courant ?

A la fin de la séance, mettre toutes les alimentations à 0 et couper les disjoncteurs d'alimentation.