Commande par onduleur d'un moteur asynchrone chargé par frein à ...

Commande par onduleur d'un moteur asynchrone chargé par frein à poudre
magnétique
(J.Beille - beille@labs.polycnrs-gre.fr Version Février 01)
Figure 1
Figure 2
Moteur asynchrone-frein à poudre magnétique_
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble 1

TP2
Commande par onduleur d'un moteur asynchrone chargé par frein à poudre magnétique
I. Conception générale du TP :
• Le moteur asynchrone (rotor à cage) étudié sera alimenté par un onduleur autonome à
fréquence variable (photographie figure 1). 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 entraîne un frein à poudre magnétique qui permet de lui opposer un couple résistant
réglable, par l'intermédiaire d'une unité de commande électronique UC. Il faut noter que même
pour un réglage au minimum, le frein oppose déjà un petit couple au moteur, que l'on ne
s'étonnera pas de voir affiché par l'unité de commande.
• L'UC reçoit des informations :
a) d'une génératrice tachymétrique, entraînée par le moteur, qui délivre une tension
proportionnelle à la tension (1 V correspond à 1000 tr/mn).
b) d'un capteur de température, situé dans le moteur, permettant d'interrompre les _ssais en cas
d'échauffement excessif.
Le montage est schématisé à la figure 2 .
II. Lecture des caractéristiques du moteur asynchrone repérage de l'appareillage et
câblage:
• Relevez les données de la plaque signalétique. Déterminez les conditions nominales en
couplage triangle et en couplage étoile. Sachant que l'onduleur délivre une tension composée
efficace maximum de 220 V, quel est le couplage qui permet d'obtenir les conditions nominales ?
• Repérez sur le bornier du moteur la façon de réaliser le couplage étoile et le couplage triangle
et faites en le schéma sur votre compte rendu. Le schéma des connexions des enroulements aux
cosses est donné à la figure 3 :
• Le châssis vertical porte, de la gauche vers la droite : l'alimentation secteur, l'unit_ de
commande à MLI, N° 735 291, une boîte de connexion 735 296 intermédiaire, l'onduleur
proprement dit N° 7350295, enfin l'unité de commande du frein magnétique.
Câblage du montage :
• amenez le 220 V alternatif à l'onduleur (bornes N et L)
• câblez les enroulements stator en triangle
• raccordez les trois phases du moteur aux bornes Ph1, Ph2, Ph3 de l'onduleur
• raccordez les sorties de la dynamo tachymétrique aux entrées correspondantes de l'UC du
frein
• -raccordez les châssis à la terre de l'installation
• connectez la sortie température moteur à l'entrée sécurité correspondante sur l'onduleur et en
parallèle sur l'alimentation du frein magnétique.
Moteur asynchrone-frein à poudre magnétique_
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble 2

Figure 3
Figure 4
Figure 5
Moteur asynchrone-frein à poudre magnétique_
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble 3

S'il y a échauffement, le contact de la sécurité s'ouvre, l'alimentation du frein est mise hors
service, mais l'onduleur est toujours actif et le moteur continue à tourner. Coupez alors
l'alimentation du frein et laissez tourner le moteur à vide pour refroidissement.
Branchement des appareils de mesure (4 contrôleurs, 1 voltmètre à aiguille)
Pour l'ensemble moteur asynchrone et sa commande : branchez des contrôleurs entre UZ- et UZ+
(tension continue U ond ), entre A et UZ+ (tension continue U AZ permettent d'obtenir le courant
absorbé par l'onduleur I ond = U AZ /0,05 = 20 U AZ ), entre Ph1 et Ph2 branchez le voltmètre
alternatif à aiguille du banc vertical (tension alternative composée Uas). Branchez un contrôleur
en série sur la sortie Ph1 pour mesurer le courant ligne I as (position courant alternatif, calibre
10 A).
Repérage des modes de fonctionnement de l'unité de commande à MLI (schéma figure 4):
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 fmot des tensions et courants moteur délivrés par l'onduleur (cette fréquence est égale à la fréquence
de consigne fc 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/fc
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 U n,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.
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.
Moteur asynchrone-frein à poudre magnétique_
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble 4

III. Etude du moteur à fréquence fixe :
Ajustez la fréquence de consigne à 50 Hz. Placez l'unité de commande du frein en
position "Manuel 1". Faire 5 ou 6 points de mesure correspondant à des valeurs de couple
croissant jusqu'à une valeur du courant ligne de 1,2 I as,n = 1,8 A.
On relèvera : U ond , I ond , U as , I as , U DT , N (fréquence de rotation en tours/mn, lue sur le cadrant de
l'UC), Cas(couple moteur lu sur le cadrant de l'UC).
Pour chaque point de mesure, calculez le facteur de puissance et le rendement η =
Présentation des résultats :
1)
Uond Iond Uas Ias Cas U DT
Cas.
Ω
Uond
.Iond
2)
P a =U ond I ond N C as P u =C as Ω η=P u /P a cosφ=P a /S a
Tracez les courbes représentant C as (N), I as (N), cosφ(N) et η(N).
L'échelle des fréquences s'étendra de 2500 à 3000 tr/mn. Commentez les courbes obtenues.
On fera également le calcul du couple utile à partir du bilan des puissances pour les mesures
précédentes, ainsi que de la précision obtenue en utilisant les précisions des différents appareils
de mesure utilisés. On tracera les points obtenus avec les barres d'incertitude. Le point nominal
de la plaque signalétique tombe-t-il dans la plage d'incertitude de la courbe.
On donne la valeur de la résistance à froid d'un enroulement : R = 38 Ω et à chaud : R = 44 Ω.
Pour les conditions nominales on donne les pertes fer stator P fs,as = 40 W et les pertes mécaniques
P m,as = 40 W.
IV. Tracé automatique de caractéristiques
IV.1. Effet de la compensation de chute de tension ohmique au stator :
La chute de tension ohmique au stator est une cause d'affaiblissement du couple en charge. On
peut rentrer une valeur entre à et 100 V/A sur la position 8 en "Display Mode" (compensation
IxR). Cette compensation augmente la tension proportionnellement au courant pour corriger le
couple.
• Répondre aux questions : la chute de tension ohmique est-elle la seule source
d'affaiblissement de couple en charge ? Peut-on compenser exactement le couple avec ce
réglage? La compensation est-elle plus critique à grande vitesse ou à petite vitesse ?
Moteur asynchrone-frein à poudre magnétique_
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• La valeur par défaut du paramètre N°8 est 0. Démarrez le moteur et réglez la fréquence de
l'onduleur à 50 Hz. Mettre en route l'alimentation du frein.
• Préparez le traceur de courbes Y(X) : raccordez les voies X et Y sur les sorties analogiques de
l'alimentation du frein : la voie X sur la sortie 0-10 V donnant l'image de la vitesse, la voie Y
sur la sortie 0-10 V donnant l'image du couple. Faites le réglage des zéros du traceur (position
Of des commutateurs : Variable-Of-calibre), réglez les sensibilités des deux voies, mettezvous
sur la position calibre. Mesurez la tension de sortie "OUTPUT-fréquence" afin de
marquer sur la feuille la position 3000 tr/mn. Sur la position "Manuel 1", amenez le couple à
1 N.m, mesurez la tension à la sortie "OUTPUT-couple" pour marquer sur la feuille la
position 1 N.m.
• Il se peut que le voyant de défaut soit éclairé (si un défaut était apparu auparavant). Appuyez
dans ce cas sur "Reset" pour éteindre le voyant. Pour lancer le cycle et tracer la courbe, réglez
l'UC du frein sur la position "Rampe 1", puis appuyez sur "Start".
• Tracez ensuite sur la même feuille le cycle correspondant à une fréquence de 20 Hz. En
restant à la fréquence de 20 Hz vous allez tracer maintenant 3 ou 4 cycles correspondant ˆ
plusieurs valeurs du paramètre 8 entre 10 et 20.
• Entre deux tracés laissez le moteur tourner 5minutes à 50 Hz pour refroidir, sinon les courbes
de couples sont faussées.
• Déterminez ainsi la valeur du paramètre 8 pour laquelle le maximum de couple correspond le
mieux au maximum de la courbe à 50 Hz.
IV.2. Effet de la compensation de glissement :
On met en évidence ici une des possibilités de compensation en électronique de puissance.
• Passez sur la position 7 en "Display Mode". 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.
• 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. Branchez le traceur. Mettre en route
l'alimentation du frein et lancez un cycle en "Rampe 1" pour tracer C as (N).
• Après cela , sans toucher à la fréquence de consigne, amenez la valeur du paramètre 7 à 100.
Après refroidissement du moteur lancez un nouveau cycle pour tracer la nouvelle
caractéristique sur la même feuille. Au cours du cycle observez l'affichage de la fréquence
des tensions statoriques, f mot . Comment agit la compensation de glissement ?
Recommencez l'opération une troisième fois pour la valeur 200 du paramètre 7.
Comment la compensation de glissement se traduit sur les trois caractéristiques ?
IV.3. Caractéristiques mécaniques étoile-triangle :
Moteur asynchrone-frein à poudre magnétique_
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Réglez la fréquence de consigne à 50Hz. Réglez l'UC du frein sur la position "Rampe 1".
Sur une nouvelle feuille, enregistrez un cycle de couple pour un couplage en triangle des
enroulements stator.
• Coupez les alimentations de l'onduleur, du frein et l'alimentation générale de la manipulation
(disjoncteur 220 V de la table) Passez ensuite en couplage étoile. Faites impérativement
vérifier votre montage.
• Enregistrez le nouveau cycle correspondant au montage étoile sur la même feuille.
• A la fin de l’expérience repassez en couplage triangle pour l’expérience suivante.
Interprétation : Relevez le rapport des amplitudes maxima du couple et justifiez-le.
IV.4. Caractéristiques mécaniques pour diverses fréquences :
Il s'agit ici de tracer les caractéristiques mécaniques C u (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 et une décroissance du couple maximum à fréquence croissante, au dessus
(zone d'affaiblissement du champ puisque U as est limité à 220 V)
• Sur l'UC ˆ MLI entrez la valeur de la compensation IxR (entrée 8) déterminée au IV.1.
• Régler la fréquence de consigne à 60 Hz sur l'unité de commande à MLI. Affichez
N mini = 10% N n et C max = 100% C sur l'UC du frein.
• Réglez le traceur. Faire un "reset" si nécessaire sur l'UC du frein et mettez vous sur la
position "Rampe 1", puis appuyez sur "Start". Sur la même feuille, tracez les caractéristiques
correspondant à 60, 50, 40, 30, 20, 10 Hz de fréquence de consigne. Discutez la forme des
courbes obtenues.
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.
V 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.
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