TP PSI MCC

Titre ETUDE D’UN MOTEUR A COURANT CONTINU

Type d'activité Séance de TP de 2h

Objectifs de

l’activité

- Vérifier expérimentalement les lois de base du MCC (fcem et

couple)

- Modéliser les pertes (mécanique, cuivre, fer) à partir des mesures

- Proposer une méthode de calcul du rendement du moteur et

vérifier qu’il est maximal au voisinage du point de

fonctionnement nominal.

Références par

rapport au

programme

Cette activité illustre le thème Conversion de puissance

Mettre en œuvre une machine à courant continu

Réaliser des bilans d’énergie

Compétences

attendues

- S’approprier le problème par la synthèse des documents

proposés

- Etablir une stratégie de résolution (analyser)

- La mettre en œuvre (réaliser)

- Commenter les résultats obtenus (valider)

- Communiquer, à l’écrit (rédaction du compte rendu) comme à

l’oral (présentation au professeur)

- Autonomie et initiative dans le travail en groupe (y compris

une sollicitation pertinente d’une aide)

Conditions de

mise en œuvre

Prérequis :

- Principe de fonctionnement du MCC

Durée : 2h

Liste du matériel :

Paillasse du professeur :

- Notice oscilloscope consultable

4 postes élèves :

- ordinateurs portables avec Cabalab, Regressi installés

- carte d’acquisition

- oscilloscope

- bancs moteurs à courant continu + génératrice

- Rhéostat

- 2 alimentations continues ELC

- 3 multimètres

TP PSI MCC

MOTEUR A COURANT CONTINU

I. DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL :

1) Description :

La maquette se compose de deux machines identiques montées sur un même arbre de rotation, l’une

fonctionnant en moteur, l’autre en génératrice et d’une génératrice synchrone permettant la mesure de

la vitesse de rotation du rotor.

Il s’agit d’un moteur à excitation indépendante : on dispose de deux alimentations réglables de tension

continue (l’une pour l’inducteur, l’autre pour l’induit). Le démarrage doit s’effectuer sous tension

réduite. L’inducteur doit être préalablement alimenté pour que le flux sous un pôle soit maximal. La

survitesse admise est de 1,5 fois la vitesse nominale.

Ne jamais débrancher l’excitation du moteur (inducteur ou stator) quand l’induit est sous

tension, risque d’emballement du moteur !

La mesure de la vitesse de rotation n se fait en observant à l’oscilloscope la fréquence f du

signal issu de la génératrice synchrone à 12 paires de pôles : montrer que la correspondance

vitesse fréquence est donnée par la relation

n = 5.f avec n en tr/min.

Ce moteur peut fonctionner à vide, ou être chargé par une génératrice à courant continu (identique au

moteur), qui doit aussi être alimentée si on désire que le couplage avec le moteur soit effectif.

On notera U la tension aux bornes de l’induit du moteur, I le courant qui le traverse, E la f.c.e.m., R la

résistance des enroulements (de l’ordre de 1 à froid, à vérifier à l’ohmètre. A chaud la valeur de la

résistance est multipliée par 1,25, donnée constructeur à vérifier aussi ! ) .

2) Fonctionnement nominal :

Les valeurs nominales de fonctionnement pour le moteur (données constructeur) sont :

nN = 3100 tr/min donc fN = nN/5=620 Hz

Un = 24 V , IN = 5 A (induit = rotor)

Uen = 24 V, IeN = 0,6 A (inducteur = stator)

II. ETUDE A VIDE

La génératrice n’est pas alimentée. Pourquoi est-ce que cela correspond à faire fonctionner le

moteur à vide ?

1) Réglage de la vitesse par le courant d’inducteur Ie (emballement du moteur si ce n’est pas

maîtrisé) :

On se place aux valeurs nominales pour l’alimentation de l’induit et de l’inducteur. Si alors diminue

progressivement Ue, on provoque la diminution de Ie. On remarque que la fréquence de rotation

augmente. Expliquer et réaliser la manipulation. Attention : il ne faut pas dépasser 1,5 nN soit fmax =

930 Hz ! (à surveiller à l’oscilloscope).

Interpréter physiquement cet emballement.

On utilisera cette propriété dans la mesure à vide des pertes du moteur pour ajuster la vitesse de

rotation égale pour toutes les mesures à la vitesse nominale

2) Vérification de la loi E = :

On néglige la chute de tension aux bornes de la résistance de l’induit (cette approximation sera

vérifiée en mesurant la résistance de l’induit).

TP PSI MCC

Proposer un protocole de mesure pour vérifier la linéarité de E(ω).

Réaliser, tracer la courbe E(ω).

Commenter la courbe sur le compte rendu. En déduire une valeur numérique pour Φ.

3) Détermination du modèle des pertes mécaniques pmet des pertes fer pf :

On se place à la vitesse de rotation nominale, et on veillera à la maintenir constante pendant toute

la durée de l’expérience, en réglant Ie.

Théorie : Montrer que UI = pJoule +pméca+ pfer. Les pertes mécaniques sont proportionnelles à 2

(frottements fluides), et on suppose les pertes fer proportionnelles à U² (on ne fait pas travailler

les matériaux magnétiques doux à saturation) :

En déduire que dans les conditions de la mesure, pméca+ pfer est une fonction affine de U2. Tracer

l’allure de la courbe attendue. Où peut-on relever pméca ?

Expérience : A partir de la tension nominale, diminuer progressivement U et relever I pour

quelques valeurs de U.

Tracer UI-pJoule en fonction de U2. Commenter (validité de l’approximation sur les

pertes fer). Déduire de la modélisation les valeurs de α et β.

III. ETUDE EN CHARGE SOUS TENSION D’ALIMENTATION CONSTANTE:

Dans cette partie, on charge le moteur par la génératrice qui alimente un rhéostat Rh d’environ 20 .

On effectue les différents réglages permettant d’obtenir les valeurs nominales UN, IN, nN. (Les

inducteurs des deux machines sont alimentés sous une tension de 24 V, fixée pendant toute

l’expérience. C’est en faisant varier Rh qu’on relève les divers points de fonctionnement (diverses

valeurs de I et n).

Théorie Quelle courbe attend-on pour ω(I), Cem (I), Cem (ω) ?

On relève pour les diverses valeurs de I la fréquence f. On mesure, une fois la machine arrêtée mais

toujours chaude la résistance R de l’induit et celle r de l’inducteur.

Comment peut-on alors calculer (avec Regressi) :

* la puissance absorbée par le moteur Pa

*les pertes par effet Joule dans l’induit et l’inducteur

*la puissance disponible sur l’arbre du moteur Pu

*le moment du couple utile Cu

*Le moment du couple électromagnétique Cem.

*le rendement

Expérience : Réaliser les mesures de I et n en faisant varier Rh, puis tracer les courbes ω(I), Cu

(I) et Cem (I) superposées, Cu(ω) et Cem (ω) superposées, (I).

Commenter les courbes, vérifier quantitativement si leur allure correspond à celle attendue.

Faire une conclusion générale sur la validité des modèles utilisés.