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TP Machine à Courant Continu + Hacheur 4 Quadrants - 2ème année 2DA -2010-
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TTPP :: MMaacchhiinnee àà CCoouurraanntt CCoonnttiinnuu ++ HHaacchheeuurr 44 QQ uu aa dd rr aa nn tt ssEn raison du nombre de machines disponibles la plupart des tables seront occupées par des trinômes.
Le compte-rendu de ce TP contiendra les mesures et les caractéristiques utiles de la machine à courant
continu, des composants du Hacheur et de sa commande.Objectifs
Le but de ce TP est l'étude d'un variateur de vitesse pour une machine à courant continu.Présentation
Ce variateur de vitesse est constitué d'une alimentation continue (pont redresseur PD3 intégré à la
table) et d'un hacheur 4 quadrants (2 bras de pont) commandé par des créneaux rectangulaires de
largeur variable. Ce procédé permet une alimentation du moteur à tension moyenne variable. La machine à courant continu MCC est à excitation indépendante. (Il ne faudra JAMAIS couper l'excitation (inducteur) de la MCC). Cette excitation est créée par l'alimentation auxiliaire de la table (2,5A max). Le hacheur 4 quadrants sera alimenté par l'alimentation principale de la table Ualim (16A max). Pourune mise sous tension progressive, un autotransformateur avec transformateur d'isolement sera utilisé.
Le Hacheur 4 quadrants est réalisé au sein d'un dispositif intégré SEMIKRON muni d'un système de
commande externe permettant de réaliser une commande complémentaire totale synchrone.Cette commande générant les fonctions de commutation assure également une limitation de courant à
20 A grâce à la mesure effectuée par une sonde à effet Hall qui doit lui être connectée sur le calibre 100
mV / A (entrée mesure courant). Cette boîte de commande permet également de générer l'alimentation
15 V des blocs de commande intégrés dans le hacheur.
On réglera la vitesse en modifiant la tension U de l'induit de la MCC, à la sortie du hacheur située entre
deux bras de pont. C'est le rapport cyclique des fonctions de commutation des interrupteurs fm1, fm2,
fm3, fm4 qui déterminera le rapport entre U et Ualim.Préparation
Le hacheur est alimenté par une source
de tension constante de valeur U ALIM . Il est constitué de deux bras de pont indépendants commandés à fréquence fixe F d . On note les rapports cycliques suivants : ǂ 1 pour T 11 et ǂ 2 pour T 21, la commande de chaque bras étant de type complémentaire totale. On suppose bien sûr les composants parfaits, diodes et transistors. Entre les deux bras de pont, on maintient la relation de commande suivante : 1 2 = 1.
Exprimer en fonction de ǂ1
les valeurs moyennes (à la fréquence de découpage F d ) de la tension aux bornes de l'induit moteur, notée U MCC.UalimU
Ifm1 fm2 fm3 fm4 MCC TP Machine à Courant Continu + Hacheur 4 Quadrants - 2ème année 2DA -2010-Page 2 sur 5
1.- Relevé de la plaque signalétique :
Relever les caractéristiques de Pn, In, Un, n et le n° de série de la machine étudiée.In et Un sont les
valeurs nominales, donc maximales (à ne pas dépasser) en régime permanent. Relever les caractéristiques de l'inducteur (excitation) de la machine à courant continu.Rappeler les lois fondamentales du comportement de la MCC et le modèle électrique simple d'une MCC utilisée en
moteur à courant continu. On veillera au cours des manipulations à rester dans la plage de fonctionnement nominale (courants, tensions) des machines2.- Montage :
Montage commande :
Le boîtier de commande pilotant le hacheur doit être connecté complètement au hacheur : 4 sorties
commandant chaque interrupteur, 2 entrées d'erreur, une sonde de température et une sonde mesurant le courant d'induit I MCC . Ainsi que l'alimentation 0/15V.Prévoir pour la visualisation de la commande à l'oscilloscope des "T" coaxiaux. Relever rapidement les
grandeurs de commande des transistors T11 et T12. En déduire la fréquence de découpage, le
rapport cyclique minimal et maximal et la valeur des temps morts utilisés. Déterminer également la
valeur de la tension de commande externe permettant d'imposer un rapport cyclique de 50 %. On conservera cette commande de rapport cyclique à 50% (~2,5V) pour la mise sous tension de U ALIM.Montage puissance :
Le courant d'excitation (Iex)
MCC est créé à partir de l'alimentation continue auxiliaire (Uex) MCC 200V.L'alimentation principale U
ALIM sera réglée de manière à obtenir la tension nominale de la MCC ensortie du Hacheur (+/- 220V pour les deux sens de rotation). On majorera cette valeur " théorique »
de U ALIM de 15 % pour tenir compte des chutes de tension et des limitations de rapport cycliques inhérentes à la boîte de commande.La sortie du hacheur U
MCC (entre 2 bras de pont) alimente l'induit de la MCC.Le montage étant assez " volumineux » à réaliser, il faudra prendre soin de câbler les différents blocs
entre eux de manière aisément vérifiable. Les différents appareils de mesure devront être lisibles sans
effort et l'oscilloscope sera aussi éloigné que possible des connexions de puissancePour le relevé des courants et des puissances, on pourra faire plusieurs spires autour de la pince à
condition de prendre en compte le nombre de spires dans la mesure des courants et puissances. Le montage doit être vérifié par l'enseignant avant la mise sous tension. Il en sera de même après chaque modification du circuit.On fera vérifiera avant chaque mise sous tension que les autotransformateurs sont sur 0% afin d'éviter
des courants de magnétisation destructeurs TP Machine à Courant Continu + Hacheur 4 Quadrants - 2ème année 2DA -2010-Page 3 sur 5
3.- Mise en route et caractéristique statique
Mise en route :
Vérifier la présence d'un courant d'excitation dans l'inducteur de la MCC. Régler la commande du rapport cyclique à 50% (~2,5V) pour la mise sous tension de U ALIM.Augmenter progressivement la tension U
ALIM jusqu'à ~115% de la tension nominale de la MCC. Vérifier alors le bon fonctionnement du dispositif en faisant varier délicatement la commande du rapport cyclique dans les deux sens. Vérifier en permanence la valeur du courant dans l'induit. Que se passe-t-il si la variation est trop brutale ? Relever en utilisant la sonde différentielle de tension la tension aux bornes d'un interrupteur ainsi que sa commande. Relever les nouveaux "temps morts" cette fois-ci dus aux drivers SKHI22 pilotant les IGBT ainsi que la nouvelle plage de variation du rapport cyclique.Caractéristique statique :
En vérifiant toujours que U
ALIM reste constant, relever l'allure de la tension aux bornes du moteur UMCC(t) et du courant d'induit IMCC(t) pour les valeurs de rapport cyclique ǂ suivantes : ǂmin , 0.25,
0.5, 0.75 et ǂ
max, le moteur étant laissé à vide. Relever soigneusement les valeurs extrêmes de rapport cycliques possibles, ǂ min et ǂmax.Tracer la caractéristique de réglage U
MCC(Vc), où UMCC représente la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur U MCC(t), toujours à vide et Vc la tension de commande du dispositif (de 0 à ~5V).Déterminer également la relation entre cette tension de commande Vc et le rapport cyclique ǂ.
En vérifiant toujours que U
ALIM reste constant, relever le réseau de caractéristiques de sortie U MCC(IMCC) de ce hacheur pilotant le moteur, UMCC étant toujours la valeur moyenne de la tension d'induit, IMCC l'intensité du courant moyen absorbé par le moteur, le réseau étant paramétré par le
rapport cyclique ǂ.Pour effectuer ces mesures, on "chargera" le moteur par une génératrice à courant continu (ne pas
oublier de câbler son excitation indépendante en parallèle de la première) simulant ainsi un couple
de charge mécanique. Cette génératrice sera progressivement chargée par une résistance (intégrée à
la table) en surveillant en permanence le courant d'induit moteur.Pour faire varier I
MCC , il suffit de faire varier la résistance de charge de sortie. I MCC (signe ?) U MCCVc ǂ UALIM = cste
0 A ǂmin UALIM = cste
......... ǂmin UALIM = cste IMCC MAX
ǂmin UALIM = cste
I MCC (signe ?) U MCCVc ǂ UALIM = cste
0 A 0,25 UALIM = cste
......... 0,25 UALIM = cste IMCC MAX
0,25 UALIM = cste
I MCC (signe ?) U MCCVc ǂ UALIM = cste
0 A 0,75 UALIM = cste
......... 0,75 UALIM = cste IMCC MAX
0,75 UALIM = cste
I MCC (signe ?) U MCCVc ǂ UALIM = cste
0 A ǂmax UALIM = cste
......... ǂmax UALIM = cste IMCC MAX
ǂmax UALIM = cste
On fera attention à bien garder constante la tension d'alimentation UALIM à l'alternostat principal.
Interprétation :
Dans quel(s) quadrant(s) fonctionne le dispositif ? TP Machine à Courant Continu + Hacheur 4 Quadrants - 2ème année 2DA -2010-Page 4 sur 5
4.- Etude du hacheur en régime dynamique
Dans cette étude, il faut générer un rapport cyclique du type : ǂ = ǂ 0 "lente" et ǂ 0 = 0.5. Pour cela, la tension de commande utilisée pour piloter le dispositif comprend une composante continue "offset" V 0On laissera toujours le moteur à vide et l'on prendra soin de systématiquement se placer au point de
rapport cyclique 50% lors des modifications du générateur de commande avec un montage sous tension afin d'éviter les surintensités. On utilise un GBF pour générer la commande externe du rapport cyclique. Utiliser la caractéristique de réglage précédente pour déterminer V 0 rapport cyclique linéairement entre 0.25 et 0.75. Appliquer cette tension progressivement sur ledispositif (amplitude lentement augmentée), à une fréquence de cycle de 0.3 Hz environ (fréquence
Relever alors simultanément le courant d'induit moteur IMCC(t) et la tension mesurée par la
génératrice tachymétrique V T le mode XY de l'oscilloscope (avec une rémanence suffisante) ? On pourra améliorer la mesure en intercalant un filtre passe pas sur la mesure du courant afin d'éliminer son ondulation. Comment choisir la fréquence de coupure de ce filtre ?Observer la tension U
ALIM (t) et le courant moteur IMCC(t) pour mettre en évidence la réversibilité. Que peut-on en déduire ?En choisissant maintenant une variation brutale (signal carré) du rapport cyclique entre 0.4 et 0.6,
reprendre les mesures précédentes et interpréter les résultats obtenus.