TP N°5 - Commande de machines

Ce TP permet de mettre en œuvre et d’étudier une commande par hacheur série appliquée à une charge RL puis à un moteur à courant continu. Il enseigne la réalisation de montages électriques, la mesure et l’analyse des grandeurs électriques (tensions, courants) et mécaniques (vitesse) associées à un hacheur et à un moteur. Le matériel nécessaire comprend un transformateur triphasé, un hacheur série, un moteur à courant continu, des appareils de mesure et une unité de commande PWM/PFM.

Objectifs

• Mettre en œuvre un montage comportant un hacheur série et un moteur à courant continu.
• Visualiser et analyser les oscillogrammes des tensions et courants dans un circuit hacheur et charge.
• Étudier le comportement dynamique de l’ensemble hacheur - moteur.

Prérequis et installation

• Connaissances de base en électronique de puissance et en commande de moteurs.
• Matériel : transformateur triphasé, fusibles ultra rapide 6 A, condensateurs 2x1000 µF, pont de diodes PD3, thyristor GTO, diode, alimentation stabilisée, unité de commande PWM/PFM, potentiomètre de consigne, rhéostats 320 Ω-1,5 A et 110 Ω-2,5 A, voltmètre, ampèremètre, oscilloscope bicourbes, sondes de tension et courant, moteur à courant continu, tachymètre numérique.
• Logiciel ou documentation pour les annexes de câblage (annexes 1, 2 et 3).

Hacheur débitant sur charge RL

Montage

Réaliser le montage de la figure 1 (hacheur série sur charge RL) en suivant la disposition indiquée dans l'annexe 1. Le montage comprend :

• Transformateur triphasé avec fusible 6 A.
• Condensateurs 2x1000 µF en parallèle.
• Charge RL composée de deux rhéostats (320 Ω-1,5 A et 110 Ω-2,5 A) et inductances 50 mH.
• Hacheur série avec thyristor GTO et diode de roue libre.
• Appareils de mesure (voltmètre, ampèremètre, oscilloscope avec sondes).

Mode opératoire

1. Connecter le potentiomètre de consigne (référence 735 02) à l'entrée (1) de l'unité de commande (référence 735 341) selon l'annexe 2.
2. Relier la sortie (9) du modulateur à l'entrée (12) de l'amplificateur de sortie de l'unité de commande.
3. Régler l'oscilloscope : déclenchement interne sur canal CH1, temps 0,2 ms/div, tension 10 V/div.
4. Positionner le potentiomètre de consigne sur 5 V (milieu de course).
5. Mettre le transformateur sous tension.
6. Visualiser à l'oscilloscope la tension U9 entre les bornes (9) et (0 V) de l'unité de commande.
7. Régler la fréquence de hachage à 1000 Hz (période T = 1 ms) en agissant sur les potentiomètres (4) et (5) de l'unité de commande.
8. Régler le rapport cyclique α = 0,5 via le potentiomètre de consigne.
9. Mettre le transformateur hors tension.
10. Relier les sorties S1 et R1 entre elles, puis connecter (R1+ et S1+) à la gâchette du GTO, et (R1- et S1-) à la cathode du GTO.
11. Compléter le câblage du circuit selon la figure 1, en branchant la charge et les appareils de mesure, avec les rhéostats réglés sur leur valeur maximale.

Mise en œuvre

1. Faire varier le rapport cyclique α et compléter le tableau du document réponse 1 avec les valeurs suivantes : Ucmoy(α), Icmoy(α), Pc(α), IcΔ/Icmoy(α).
2. Tracer les courbes correspondantes et interpréter les résultats.
3. Mettre le transformateur sous tension et relever, pour Icmoy = 1 A et α = 0,5, les formes d’ondes suivantes sur le document réponse 2 : uc(t), ic(t), vt(t), is(t), vd(t), id(t). Interpréter ces résultats.
4. Pour α = 0,5, diminuer progressivement la résistance de la charge en commençant par le rhéostat de 320 Ω, augmenter le courant de charge Icmoy, et compléter le tableau du document réponse 3 avec Ucmoy et Us en fonction de Icmoy.
5. Tracer les courbes Ucmoy(Icmoy) et Us(Icmoy) et interpréter les résultats.

Commande de vitesse d'un moteur à courant continu par hacheur série

Montage

Réaliser le montage de la figure 2 selon la disposition de l'annexe 3. Ce montage comprend :

• Hacheur série avec thyristor GTO et diode.
• Moteur à courant continu avec inductances 50 mH sur l'inducteur.
• Condensateurs 1000 µF, transformateur 220 V, fusible 6 A.
• Appareils de mesure et câblage selon la figure 2.

Mode opératoire

1. Débrancher la liaison (9) - (12) de l'unité de commande.
2. Régler l'oscilloscope : déclenchement interne sur canal CH1, temps 0,2 ms/div, tension 10 V/div.
3. Mettre le transformateur sous tension.
4. Visualiser sur l'oscilloscope la tension entre les bornes (9) et (0 V) de l'unité de commande.
5. Régler la fréquence de hachage à 1000 Hz (T = 1 ms) avec les potentiomètres (4) et (5) de l'unité de commande.
6. Régler le rapport cyclique α à 0,1 via le potentiomètre de consigne (734 02).
7. Mettre le transformateur hors tension.
8. Rétablir la liaison (9) - (12) de l'unité de commande.
9. Compléter le câblage du circuit selon la figure 2, brancher la charge et les appareils de mesure.
10. Relier l'enroulement inducteur du moteur à la sortie de tension continue sur la plaque du transformateur.

Mise en œuvre

1. Faire varier le rapport cyclique α et compléter le tableau du document réponse 4 avec les valeurs Ucmoy(α) et N(α) (vitesse en tours/minute).
2. Tracer les courbes Ucmoy(α) et N(α) et interpréter les résultats obtenus.

Résultats attendus

• Courbes caractéristiques Ucmoy(α), Icmoy(α), Pc(α) et IcΔ/Icmoy(α) montrant la relation entre le rapport cyclique et les grandeurs électriques.
• Oscillogrammes des tensions et courants dans le circuit hacheur-charge pour α = 0,5 et Icmoy = 1 A, permettant d’observer la commutation et la forme des signaux.
• Évolution de Ucmoy et Us en fonction de Icmoy pour une charge variable, illustrant l’effet de la charge sur la tension moyenne et la chute de tension.
• Pour la commande du moteur, courbes Ucmoy(α) et vitesse N(α) démontrant la commande efficace de la vitesse par modulation du rapport cyclique.

Pièges courants

• Mauvais câblage des bornes S1 et R1 vers la gâchette et cathode du GTO, pouvant empêcher la commande du thyristor.
• Réglage incorrect de la fréquence de hachage, qui doit être précisément à 1000 Hz (T = 1 ms) pour assurer un fonctionnement stable.
• Oublier de mettre le transformateur hors tension avant de modifier le câblage, ce qui peut endommager le matériel.
• Ne pas positionner correctement le potentiomètre de consigne, ce qui fausse le rapport cyclique α et les mesures associées.
• Ne pas utiliser les rhéostats sur leur valeur maximale lors du premier montage, ce qui peut entraîner des surintensités.
• Confusion entre les différents signaux à mesurer (uc, ic, vt, is, vd, id), rendant l’interprétation des oscillogrammes difficile.
• Ne pas débrancher la liaison (9) - (12) lors du montage du moteur, ce qui empêche la bonne commande de la vitesse.