Etude d`une machine à courant continu polyexcitation I

TP : Etude d'une machine à courant continu polyexcitation
Etude d’une machine à courant continu polyexcitation
I - Rappels
1.1 - Constitution
La machine est composée de trois parties :
- Le stator, partie fixe de la machine, contient les enroulements de l'inducteur.
- Le rotor, constitué de tôles et de bobinages contient les enroulements de l'induit.
- Le collecteur est un ensemble de lames électriquement reliées à des points équidistants des enroulements de
l'induit. La liaison avec l'extérieur est assurée par des contacts glissants appelés "balais".
1.2 - Couple électromagnétique
La structure des enroulements de l'induit et des contacts glissants balais-collecteur fait que la répartition des courants
dans l'induit reste immuable lors de la rotation. Sur le schéma ci-dessous il est rappelé que ces courants se répartissent
symétriquement par rapport à la ligne de neutre.
r
C
r
B
r
M
r
Ainsi le rotor se comporte comme une bobine équivalente stationnaire dont le moment magnétique M est orthogonal au
r
champ inducteur B , le couple qui s'exerce alors sur la bobine vaut :
r
r r
C = M ∧ B ⇒ C = MB = SIB = Iφ
avec S la surface de la bobine équivalente, I le courant dans la bobine équivalente.
On démontre que dans le cas de la machine réelle, l’expression du couple en régime permanent est la suivante:
Ce m =
1 2p
n φI = k φI
2π 2a
Avec 2p le nombre de pôles et 2a le nombre de voies d'enroulement du rotor, n le nombre de conducteurs actifs, φ le flux
moyen par pôle et I l'intensité dans l'induit.
A vitesse constante, le couple moteur est égal au couple résistant appliqué sur l'arbre moteur. Si le couple résistant
augmente, la vitesse diminue ce qui provoque transitoirement une augmentation importante du courant donc du couple
électromagnétique pour atteindre un nouveau point d'équilibre.
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1.3 - Force électromotrice
La force électromotrice de la machine s’exprime de la manière suivante:
E=
1 2p
nΩ φ = kφΩ
2π 2a
O? Ω représente la vitesse de rotation (rad/s). k est le même que dans la formule du couple électromagnétique.
1.4 - Représentation schématique - Equations de base
Ra
I
induit
E
Re
Ie
inducteur
Remarque:
Dans le cas de l’enroulement d’excitation shunt on a Re >> Ra , cet enroulement est branché en parallèle sur l'induit.
Dans le cas de l’enroulement d’excitation série on a Re ≅ Ra , cet enroulement est branché en série avec l'induit.
1.5 - Démarrage d'un moteur à courant continu
Au moment de la mise sous tension, la vitesse N étant nulle la f.é.m. E est nulle d’après la relation précédente. Si le
moteur est alimenté sous la tension nominale, le courant transitoire va être très supérieur à sa valeur nominale. Ceci est
dû au fait que l’induit se comporte comme un circuit Ra , L dont la constante de temps est rapide (τe qq. ms) devant la
constante de temps mécanique (τm qq. s). Il est donc nécessaire pour ne pas détériorer la machine de limiter le courant de
démarrage. On rappelle les deux équations différentielles qui régissent le comportement du moteur à excitation constante:
u( t) = e( t ) + Ra i( t ) + L
J
dΩ( t)
dt
di( t)
dt
avec e(t ) = kφΩ(t )
= kφi( t ) − Cch
Une première méthode consiste, lorsqu’on possède une source de tension continue fixe unique, à rajouter un rhéostat de
démarrage en série avec le circuit d’induit. Ce rhéostat est dimensionné pour supporter le courant transitoire, pendant un
temps bref. Une fois la machine lancée, le rhéostat est court-circuité. Le démarrage du moteur shunt s’effectue sous le
flux maximum. Le circuit d’excitation sera donc alimenté sous la tension nominale.
Une seconde méthode possible consiste à utiliser une source de tension continue variable. La tension appliquée aux
bornes de la machine shunt est alors progressivement amenée à sa valeur nominale pour que le courant ne dépasse pas
transitoirement sa valeur nominale.
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1.6 - Variation de vitesse d'un moteur à courant continu
Considérons l'équation électrique en régime permanent. On peut écrire:
N=
V − Ra I
(1)
kφ
La vitesse peut donc être réglée par action soit sur la tension d’alimentation V, soit sur le flux d’inducteur.
La variation de vitesse par la tension d’alimentation (encore appelée variation de vitesse par l’induit) nécessite une
source de tension réglable d’une puissance équivalente à celle de la machine. Ceci peut être réalisé à l’aide d’un
redresseur commandé à thyristors si l’on dispose d’une source alternative fixe, ou encore à l’aide d’un redresseur non
commandé alimenté par un autotransformateur. Enfin il existe des sources de tensions continues variables utilisant des
convertisseurs continu-continu du type hacheur.
La variation de vitesse par l’inducteur nécessite une source de tension réglable de moindre puissance permettant le
réglage du courant d’excitation. Cette source peut-être obtenue soit par adjonction d’un rhéostat (Rhéostat de champ) à
une source de tension fixe, soit par un dispositif de l'électronique de puissance. Cependant la chute de tension Ra I étant
faible, la vitesse est quasiment inversement proportionnelle au flux d’inducteur. Il est donc dangereux d’annuler le
courant inducteur, car la vitesse correspondante serait alors très grande devant la vitesse nominale (Phénomène
d’emballement) .
II Manipulations
2.1 - Objectifs
Etude du fonctionnement de la machine à courant continu à excitation shunt en génératrice
- Caractéristique à vide. E = f (Ie ) à N = cste.
- Caractéristique en charge. VG = f(I) à N = cste et Ie = cste.
- Fonctionnement en auto-excitation.
Etude du fonctionnement de la machine à courant continu à excitation shunt en moteur
- Caractéristique électromécanique C = f (I) à excitation constante.
- Caractéristique mécanique C = f (N) à excitation constante.
Etude du fonctionnement de la machine à courant continu à excitation série en moteur
- Caractéristique électromécanique C = f (I).
- Caractéristique mécanique C = f (N).
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Le banc se compose de deux machines mécaniquement accouplées. La première machine comporte plusieurs
enroulements d’excitations permettant de la faire fonctionner soit en machine shunt soit en machine série. La seconde
machine est une dynamo balance à excitation shunt.
Machine
polyexcitation
Dynamo
balance
Dynamo
Tachymétrique
Une alimentation de tension continu réglable protégé en courant permet de régler la tension d’alimentation continu entre
0 et 250 Volts. Un plan de charge résistif permet de charger la génératrice.
La vitesse est mesurée à l’aide d’une dynamo tachymétrique placée en bout d’arbre.
2.2 - Schémas de câblages de la machine polyexcitation
2.2.1 - Montage de la machine polyexcitation en moteur shunt:
shunt
série 1
Rhéostat
1000 Ω
série 2
Source
continue
variable
0-250V
M
2.2.2 - Montage de la machine polyexcitation en moteur série:
shunt
série 1
série 2
Source
continue
variable
0-250V
M
2.3 - Caractéristique des machines étudiées
On relèvera les valeurs inscrites sur les plaques signalétiques des machines étudiées, et de la dynamo tachymétrique.
Ces machines ont une vitesse nominale de 1500 tr/min.
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2.4 - Fonctionnement en génératrice
La machine étudiée est la dynamo balance. Elle est entraînée en rotation par la machine polyexcitation.
Réaliser le montage de la machine polyexcitation en moteur shunt conformément au schéma 2.2.1. Le rhéostat d’excitation
sera réglé de manière à avoir une vitesse de 1500 tr/mn. lorsque la tension est de 250V.
Attention, pour une même tension d’alimentation, plus on diminue l’excitation donc le flux et plus la vitesse augmente. Il
ne faut donc pas en fonctionnement moteur couper le courant d’excitation sous peine d’emballer la machine.
2.4.1 - Fonctionnement en excitation indépendante
Caractéristique à vide:
On désire tracer la courbe E= f (Ie ) à N = Cste. Pour cela, on alimente l'inducteur de la dynamo balance par la source
continue variable (0-250V) à travers un rhéostat permettant de régler le courant. Le courant d'excitation Ie pourra évoluer
entre 0 et Ien, en jouant sur le rhéostat de 3,3 KΩ. L'induit est connecté à un voltmètre. On rappelle que VG et E sont
confondues à vide (I = 0).
shunt
série 1
Rhéostat
1000 Ω
Source
continue
variable
0-250V
série 2
M
Rhéostat
3300 Ω
shunt
A
M
V
- Tracer la courbe demandée pour N = 1500 t/min.
- Vérifier que pour deux vitesses de rotation N1 = 1500 et N2 = 1300 t/min. les f.é.m. correspondantes E1 et E2 vérifient la
relation suivante pour la même valeur de courant d’excitation Ie :
E1
N
= 1
E2
N2
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Caractéristiques en charge
- Brancher aux bornes de l'induit un plan de charge et un ampèremètre de caractéristiques compatibles avec le courant
nominal de la machine.
- Tracer la courbe VG = f(I) pour Ie = Ien et N = 1500 tr/min. La vitesse sera maintenue constante par réglages successifs du
rhéostat d’excitation de la machine poly excitation. La tension d’alimentation restera fixée à 250V.
- Déterminer graphiquement la différence E0 - VG = ∆V(I), E0 désignant la valeur de la f.é.m. E correspondant à un courant
d'induit I nul.
- Comparer la chute de tension ∆V avec la chute de tension du à la resistance de l’induit (Ra I).
2.4.2 - Fonctionnement en auto-excitation
Point de fonctionnement à vide
- Réaliser le montage suivant en fixant le rhéostat d'excitation Rexd de la dynamo balance à zéro de manière à obtenir une
f.é.m. importante (auto-amorçage), les commutateurs du plan de charges étant sur la position 0% en puissance.
shunt
série 1
Rhéostat
1000 Ω
Source
continue
variable
0-250V
série 2
M
Rhéostat
3300 Ω
shunt
A
M
V
- Mesurer la tension aux bornes de l’induit de la dynamo VD pour la vitesse N = 1500 t/min., et l'intensité du courant
inducteur Ie correspondante.
- Montrer que ce point de fonctionnement à vide peut être prédéterminé à partir de la courbe E = f(Ie ) précédemment
tracée et de la résistance totale R = Rexd+Re+Ra de la branche contenant l'inducteur. La valeur de Re sera déduite des
mesures de VD et Ie .
Résistance critique d'amorçage d'une dynamo autoexcitée
Ouvrir le circuit d’excitation de la dynamo balance afin d’avoir un courant inducteur Ie nul.
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Placer le rhéostat Rexd de manière à obtenir la valeur de résistance maximale.
Fermer le circuit d’excitation avec le rhéostat Rexd à cette valeur maximale de manière à avoir le courant d'inducteur de la
dynamo le plus faible possible. Quelle est alors la valeur de la tension aux borne de l’induit de la dynamo ?
- Faire croître progressivement le courant d'inducteur de la dynamo en diminuant la valeur de Rexd jusqu’à obtenir
l’amorçage de la dynamo, c'est-à-dire lorsque la tension à ses bornes passe de quelques dizaines de volts à une centaine
de volts. Mesurer la tension VDa et le courant Iea correspondant à ce point de fonctionnement.
Déduire la valeur de la résistance totale correspondante.Cette résistance est appelée résistance critique d'amorçage.
Remarque: Cette dernière peut être déterminée à partir de la caractéristique à vide déterminée au 2.4.1.
Caractéristique en charge à 1500 t/min.
- Ajuster Rexd pour avoir Ie = Ien pour I = 0 et N = 1500 tr/min.
- Faire débiter l'induit sur le plan de charges, mesurer VD pour diverses valeurs du courant dans la charge par variation de
la valeur de celle-ci. Tracer VD = f(I) et commenter.
2.5 - Fonctionnement en moteur shunt
On étudie maintenant la machine polyexcitation en fonctionnement moteur. Elle entraîne en rotation la dynamo balance
qui constitue une charge mécanique pour le moteur. Le montage de la machine polyexcitation en moteur shunt reste
conforme au schéma 2.2.1. Le rhéostat d’excitation sera réglé de manière à avoir une vitesse de 1500 tr/mn. lorsque la
tension est de 250V.
On conserve le montage de la dynamo balance en génératrice auto-excitée.
2.5.1 Définitions
On appelle caractéristique électromécanique d'une machine tournante la courbe représentative Cu = f(I) reliant le ccouple
utile Cu au courant d’induit I. le couple disponible sur l'arbre, est appelé couple utile noté Cu. Cette courbe est une
caractéristique statique.
On appelle caractéristique mécanique d'une machine tournante la courbe représentative N = f(Cu) reliant la vitesse N et le
couple disponible sur l'arbre, encore appelé couple utile noté Cu. Cette courbe est une caractéristique statique.
2.5.2 Mesures
Le moteur est chargé par la machine auxiliaire fonctionnant en génératrice autoexcité débitant sur le plan de charge. Par
variation de la résistance du plan de charge on modifie la caractéristique mécanique de la charge, il est alors possible
d'obtenir différents points de fonctionnement.
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Le circuit d’excitation de la dynamo balance étant ouvert, régler la tension d'alimentation d'induit du moteur à Vn =250 V
et le courant d’excitation du moteur à l’aide du rhéostat avoir une vitesse de 1500 tr/min. Le courant d’excitation du
moteur est alors proche de Ien et restera constant durant toute la mesure.
Relever pour ce premier point de fonctionnement le courant d’induit dans le moteur I. La vitesse pour ce point est de
1500 tr/min, le couple utile Cu est nul.
Fermer le circuit d’excitation de la dynamo balance, le rhéostat d’excitation Rexd de la dynamo balance étant ramenée à
zéro. Pour les valeurs suivantes de pourcentage de la charge maximale (0% - 5% - 10 % - 15% -20% -30% - 40%), relever :
-
la vitesse N
-
le courant d'induit I du moteur.
-
Le couple utile Cu mesurée à l’aide de la dynamo balance.
2.5.3 Tracés des caractéristiques
Tracer à partir des mesures précédentes les caractéristiques suivantes :
Caractéristique électromécanique Cu = f(I)
Caractéristique mécanique N = f(Cu).
Caractéristique N= f(I).
Remarque sur l’influence de la réaction magnétique d’induit sur la caractéristique N = f(I)
L'allure de la caractéristique N = f(I) diffère de la droite déduite des équations de base (eq. 1 au 1.6) de la machine à
courant continu. Ceci est lié au fait que le flux qui génère la f.é.m. ne dépend pas uniquement du flux dû au courant
inducteur φ(Ie ) mais aussi au courant d'induit I. Ce phénomène connu porte le nom de Réaction Magnétique d'Induit. Il
est d'autant plus visible que le moteur fonctionne avec un courant d'excitation plus faible que sa valeur nominale.
2.6 - Fonctionnement en moteur série
La machine étudiée est la machine polyexcitation. Elle entraîne en rotation la dynamo balance qui constitue une charge
mécanique pour le moteur. Le montage de la machine polyexcitation en moteur série est conforme au schéma 2.2.2. La
machine série n’est pas prévue pour fonctionner à vide. Aussi on veillera à ce que la dynamo balance soit chargé par une
charge minimale égale à 5% de la charge maximale.
Réaliser le montage de la machine polyexcitation en moteur série.
Relever et tracer la caractéristique Cu = f(I).
Relever et tracer la caractéristique Cu = f(n).
Quelle conclusion peut-on faire à partir de la caractéristique mécanique sur l’utilisation du moteur série.
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