TP 9 : MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE EN FREQUENCE VARIABLE Matériel : Banc comprenant un Moteur Asynchrone, un Onduleur Triphasé, un Frein électromécanique à poudre commandé en tension, et un dispositif de mesure de couple et de vitesse. I. Introduction : • Le moteur asynchrone (rotor à cage) étudié sera alimenté par un Convertisseur Altivar ATV12H037M3 comportant en sortie un onduleur autonome triphasé à fréquence variable réglable de 0Hz à 60Hz. (photographie ci-contre). Il comporte aussi une section Redresseur qui est alimentée par le réseau monophasé. Le moteur entraîne un frein à poudre magnétique qui permet de lui opposer un couple résistant réglable, par l'intermédiaire d'un bloc de commande. Il faut noter que même en l’absence de commande, le frein oppose déjà un petit couple au moteur. • L’Unité de Mesure fournit des informations : o d'une génératrice tachymétrique, entraînée par le moteur, qui délivre une tension proportionnelle à la tension (10V correspond à 1000 tr/mn). Certaines dynamos ont subi une dérive en tension. Vous vérifierez par la suite que la tension fournie par la dynamo est compatible avec la fréquence de 50Hz, lors d’un essai à vide. Dans le cas contraire faites appel au professeur. o d'un capteur de couple, situé sur l’axe de rotation. (Attention au numéro du banc moteur) Le banc du montage utilisé en TP est schématisé sur la figure suivante. II. Préparation (Notée sur 3 points): schéma de câblage du moteur asynchrone • On donne la plaque signalétique du moteur utilisé en TP : • • • • • • • • • • Expliquez les conditions nominales en couplage triangle et en couplage étoile. Sachant que l'onduleur est réglé pour délivrer délivre une tension efficace de 240V, quel est le couplage qui permet d'obtenir les conditions de fonctionnement acceptables ? Pourquoi ? Repérez sur les bornes du moteur (figure ci-dessous) la façon de réaliser le couplage triangle (expliquez) Quelle hypothèse fait-on en supposant que les valeurs efficaces des tensions appliquées sur les enroulements du moteur sont rigoureusement égales ? Faites le schéma du montage sur votre compte-rendu en représentant le schéma des enroulements du moteur et les nœuds U1,U2,V1,V2,W1,W2 . Représentez également l’onduleur alimenté par le réseau monophasé. Rappelez la définition du glissement g. Rappelez le diagramme des puissances d’un moteur asynchrone en faisant figurer Pa , pjs pfs , Ptr , PM , et les pertes rotoriques pjr , pfr et pm Rappelez les relations entre PM Ptr et g Montrez pourquoi on peut négliger pjr En faisant plusieurs hypothèses simplificatrices: donnez une expression simplifiée du rendement η qui ne dépend que de g III. Câblage du moteur asynchrone Langlois 90W ∆230V/-0,62A et de l’onduleur Schneider ATV12H037 • Câblage du montage : → Câblez les enroulements stator en triangle : raccordez les trois phases de l’onduleur aux bornes U1, V1, W1 du moteur. ○ Raccordez les 3 bornes U1, V1, W1 avec des câbles bananes double puits de l’onduleur. Puis reliez W2 à V1 , ensuite U2 à W1 , ensuite U1 à V2 avec des câbles bananes double puits de couleurs différentes. ○ Raccordez le châssis du moteur à la prise de terre de l’onduleur, remarquez que la prise est d’un type spécial rendant la connexion impossible sur une fiche double puits normale. ○ Connectez l’alimentation continue du frein, attention réglez l’alimentation sur une tension inférieure à 5V DC. Il ne faut en tous cas pas approcher de la valeur limite de 10V ○ ○ ○ Faites vérifier votre montage par le professeur Evitez dans toute la suite du TP de faire fonctionner votre moteur en pleine charge pendant une période excédant deux minutes (risque d’échauffement) Lorsque vous ne faites pas de mesure, ne laissez pas tourner inutilement votre moteur. → Branchez ensuite l’onduleur sur une prise 230V monophasée. → L’onduleur se met en route avec le bouton vert et l’afficheur indique la fréquence de l’alimentation triphasée. → Réglez la fréquence à la valeur nominale de 50 Hz → Vous pouvez arrêter votre moteur avec le bouton rouge IV. Mesures Electriques Préliminaires 1. Fonctionnement nominal : le moteur tourne. → Placez une sonde de courant à effet Hall sur le calibre le plus petit et faites 3 tours à travers la pince, vous observerez à l’oscilloscope une image du courant Icrête = 1/3. K . Vcrête avec K le coefficient lié à la sonde. → Faites d’abord une calibration avec le bouton « Zéro » de la sonde. → Quelle est la forme générale du courant ? Utilisez éventuellement un filtre (Fc = 450Hz – FAR) (ne pas toucher au bouton atténuation –20dB) → Réglez la tension appliquée sur le frein à poudre pour lire 0,600 N.m sur le boîtier du capteur de couple (soit le couple nominal). → Relevez la valeur crête à crête du courant, en déduire la valeur efficace In. → Avec un voltmètre en DC, mesurez la tension de la dynamo tachymétrique. En déduire la vitesse nominale. Comparez avec la fiche signalétique. → Avec la sonde de tension, observez la tension U entre les phases U1 et V1. Relevez sa forme sur une période. → Avec un voltmètre réglé en AC mesurez la valeur efficace nominale de cette tension Un. → En cadrez vos résultats numériques. 2. Puissances (à la fréquence 50Hz). → Quelle est la vitesse de synchronisme du moteur ? ( en tr/min ) → Déduisez le glissement nominal gn des mesures précédentes. → En supposant (voir préparation) que η ne dépend que de g, calculez le rendement nominal ηn du moteur. → Calculez la puissance mécanique nominale Pun en fonction de la vitesse et du couple Tun → En déduire la puissance électrique absorbée nominale Pan → Comparez avec la plaque signalétique → Evaluez le Cos(ϕ ϕ) nominal de ce moteur en reprenant Un et In 3. Caractéristique Couple – Courant Ligne (à la fréquence 50Hz). → Utilisez la sonde de courant à effet Hall pour relever la valeur crête à crête du courant. → Modifiez la tension appliquée sur le frein à poudre pour modifier le couple Tu à partir de 0,600 N.m jusqu’à la valeur minimale (qui n’est pas nulle car le frein à poudre oppose toujours un couple résiduel) → Relevez une dizaine de points ( Tu , I) → Tracez la courbe Tu = f(I) → Conclure V. Mesures Electro-Mécaniques. 1. Caractéristique Couple – Vitesse (à la fréquence 50Hz). → Utilisez le voltmètre en DC pour mesurer la vitesse N en tr/min sur la sonde tachymétrique. → Modifiez la tension appliquée sur le frein à poudre pour modifier le couple Tu à partir de 0,600 N.m jusqu’à la valeur minimale → Relevez une dizaine de points ( Tu , N) dans un tableau numérique. → Tracez la courbe Tu = f(N) 2. Caractéristique Couple – Vitesse (à la fréquence 40Hz). → Procédez de la même façon que précédemment mais changez d’abord avec la molette de l’onduleur, la fréquence f . → Relevez une dizaine de points (Tu , N) dans un autre tableau numérique. → Tracez la 2ème courbe Tu = f(N) sur le même graphe → Comparez avec la courbe précédente et concluez. 3. Caractéristique Couple – Vitesse (à fréquence variable). → Procédez de la même façon que précédemment pour les fréquences f = 10Hz, 20Hz, 30Hz → Relevez cinq points (Tu , N) pour chaque fréquence en faisant varier la tension de commande du frein à poudre. → Tracez ces 3 autres courbes Tu = f(N) sur le graphe précédent o Procédez avec prudence et n’hésitez pas à faire vérifier votre montage par le professeur, utilisez le calibre approprié de votre voltmètre, en AC. → Mesurez la tension U entre les phases U1 et V1, pour chaque valeur de f de 50 Hz à 10 Hz. → Proposez une loi de variation entre U et f interne à l’onduleur. Calculez la constante de proportionnalité. → Expliquez pourquoi la loi en « U/f = constante » est utilisée en général pour alimenter les moteurs asynchrones. VI. Mesures : Tension entre 2 phases : Signal M.L.I. 1. Observation de la tension ( fréquence 50Hz). → Utilisez la sonde différentielle et visualisez une période (20ms) du signal. → Synchronisez le signal au mieux → Evaluez la période minimale de hachage, mesurez la période de hachage entre 2 fronts montants ou 2 fronts descendants : fH = …. kHz 2. Analyse spectrale de la tension → Placez vous en mode FFT → Quelle est la fréquence minimale d’échantillonnage à utiliser si vous voulez observer sur le même écran la raie spectrale à 50Hz et celle à fH ? fs = … ks/s → Réglez l’oscilloscope en conséquence entre 10ks/s et 50ks/s, choisissez le réglage pour avoir le repliement le moins gênant possible. → Relevez le spectre du signal M.L.I. , représentez le sur votre compte-rendu avec une dimension d’un ½ A4. 3. Filtrage → Proposez un gabarit de filtre (fréquence de coupure minimale et ordre minimal) qui atténue les harmoniques élevées d’au moins 60dB et laisse passer le fondamental à 50Hz sans atténuation (G=0dB) → Vérifiez vos suppositions à l’aide du filtre F.A.R. utilisé dans une question précédente, essayez plusieurs fréquences de coupure, notez celle qui donne le meilleur résultat dans le domaine fréquentiel, puis vérifiez le résultat dans le domaine temporel : concluez → Si l’ordre du filtre est 8 , calculez l’affaiblissement en dB de la raie à fH, avec le filtre que vous avez choisi.