SMTE451 Support pour travaux pratiques du cours « Machines électriques » : matériel de laboratoire, matériel pédagogique, équipement éducatifNous combinons les fonctions de deux établis.
Description
L'établi de laboratoire est conçu pour les travaux pratiques d'étude des machines électriques dans les universités et les écoles spécialisées.
Il se compose d'un boîtier intégrant les équipements suivants : appareils électriques, cartes de circuits imprimés, panneau avant et plan de travail intégré.
À l'intérieur du boîtier se trouvent :
une carte redresseuse ;
un module de résistances de charge ;
un transformateur triphasé de laboratoire ;
le transformateur triphasé étudié.
Les schémas électriques des composants étudiés sont affichés sur le panneau avant. Ces schémas sont regroupés selon le thème des travaux pratiques. Le panneau avant comprend : des prises de commutation, des indicateurs analogiques, des dispositifs de commutation et des commandes permettant de modifier les options des composants pendant les travaux pratiques.
Les commandes sont :
un commutateur pour autotransformateur triphasé de laboratoire (LAT), permettant de faire varier la tension de 0 à 20 V par pas de 2 V et de 130 à 250 V par pas de 30 V ;
Des autotransformateurs de laboratoire monophasés (LAT) permettent de commuter la tension de 50 à 110 V par pas de 10 V.
Des modules de résistances de charge permettent de connecter des résistances de valeurs différentes.
Les machines électriques suivantes sont installées sur le panneau de la paillasse :
1 moteur électrique asynchrone à cage d'écureuil ;
2 moteurs à courant continu à excitation séparée ;
une tachymètre à aimants permanents ;
des selsyns sans contact.
Pour réaliser les travaux pratiques, il est nécessaire d'assembler le schéma de l'objet étudié à l'aide de cavaliers unifiés, permettant un assemblage clair.
La paillasse est conçue pour les travaux pratiques de « Machines électriques ».
Structurellement, la paillasse se compose de deux parties :
un boîtier contenant une partie de l'équipement électrique, les cartes électroniques, le panneau avant, le module d'alimentation et le plateau du bureau intégré ;
L'ensemble machine comprend un moteur à courant continu, un moteur asynchrone à rotor bobiné, un moteur asynchrone à rotor à cage d'écureuil, ainsi qu'un capteur de vitesse optique indiquant le sens de rotation.
Le banc d'essai peut être complété par un groupe électrogène basé sur des moteurs électriques de faible (90 W) ou forte (0,55 kW) puissance.
Le boîtier du banc d'essai contient :
Un convertisseur de fréquence pour la génération d'un réseau alternatif triphasé à fréquence variable et l'alimentation du moteur asynchrone et des transformateurs triphasés. Ce convertisseur est basé sur un microcontrôleur MB90F562 (Fujitsu) et un module de gestion de l'énergie PS11033 (Mitsubishi). Le contrôleur calcule les données d'entrée (tension et fréquence) et les signaux de sortie (courant et tension), assure l'échange de données avec un PC (RS-485) et affiche les valeurs mesurées sur le panneau avant du banc d'essai. Le module de puissance comprend des circuits de puissance composés d'un pont redresseur triphasé, d'un pont onduleur triphasé à transistors IGBT, ainsi que des circuits de commande et de protection (court-circuit, tension d'alimentation insuffisante, signaux de commande incorrects). Le convertisseur de fréquence permet d'exploiter les caractéristiques mécaniques du moteur asynchrone dans les quatre quadrants de sa plage de fonctionnement.
Un convertisseur de largeur d'impulsion (CLI) alimente le circuit d'induit et l'enroulement d'excitation du moteur à courant continu, ainsi que le circuit rotorique d'un moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné, fonctionnant en mode synchrone (moteur-générateur). Le CLI est basé sur l'élément de puissance du convertisseur de fréquence. Deux de ses bras permettent d'obtenir un CLI symétrique réversible, tandis que le troisième bras génère un CLI irréversible pour le rotor du moteur asynchrone triphasé. L'alimentation de l'enroulement est assurée par un transistor MOSFET IGBT. Le système de commande est basé sur un microcontrôleur AT Mega163 (Atmel) et assure le calcul des signaux d'entrée (tension, fréquence et courant pour le freinage dynamique) et de sortie (courants d'ancrage, d'excitation et de rotor), l'échange de données avec un PC (RS-485) et l'affichage des valeurs mesurées sur le panneau avant de la table de test. Le convertisseur de largeur d'impulsion du circuit d'induit du moteur à courant continu est complété par un mode système fermé (régulation du courant ou de la vitesse) et un mode générateur.
L'unité de mesure est composée d'appareils de mesure numériques. Outre la mesure du courant et de la tension continus, chaque voie peut calculer :
la valeur efficace du courant et de la tension alternatifs ;
l'angle de déphasage entre le courant et la tension, ainsi que cos(φ) ;
la puissance active.
Commande par relais-contacteur permettant à l'utilisateur de :
commuter le circuit d'un moteur asynchrone à rotor à cage d'écureuil (couplage étoile/triangle) ;
modifier la valeur de la résistance de charge dans un circuit triphasé ;
connecter des moteurs asynchrones à un réseau 3 ~ 380/220 V 50 Hz ou à un variateur de fréquence ;
Résistances dans le circuit d'excitation (deux étages) ;
Résistances de charge dans un circuit triphasé (trois étages) ;
Résistances de décharge de surtension sur modules intelligents.
Le variateur de fréquence et le convertisseur de largeur d'impulsion sont activés pour le fonctionnement sur le réseau interne (mode de récupération) afin de réduire la consommation d'énergie.
Trois transformateurs à deux enroulements ;
Contacteurs de puissance du sous-système de relais.
Les schémas de câblage des éléments étudiés sont présentés sur la face avant. Tous les schémas sont regroupés selon le thème du TP. Le panneau comprend des prises de commutation, des indicateurs numériques, des appareillages de commutation et des commandes permettant à l'utilisateur de modifier les paramètres des éléments pendant les travaux pratiques.
Commandes en façade :
potentiomètre de consigne pour le convertisseur de largeur d'impulsion inverse, signal de référence du système fermé ;
potentiomètres de consigne des convertisseurs de largeur d'impulsion de l'alimentation pour les enroulements d'excitation du moteur à courant continu et le rotor bobiné du moteur asynchrone en mode machine synchrone ;
potentiomètres de consigne du convertisseur de fréquence, permettant une variation progressive de la fréquence de sortie (0 à 163 Hz) et de la tension de sortie (0 à 220 V) ;
commandes du sous-système de relais.
Pour réaliser les travaux pratiques, il est nécessaire d'assembler le circuit de l'objet étudié à l'aide de cavaliers normalisés, garantissant ainsi une lisibilité optimale.
Un logiciel et une documentation technique et méthodologique destinée au personnel enseignant complètent la paillasse. Le banc d'essai permet la réalisation des travaux pratiques suivants :
1. Étude d'un transformateur de puissance à deux enroulements par les méthodes de circuit ouvert et de court-circuit.
Étude d'un transformateur monophasé selon différents modes de fonctionnement, détermination des paramètres du circuit équivalent et caractérisation des caractéristiques externes du transformateur.
2. Détermination expérimentale des groupes de connexion d'un transformateur triphasé à deux enroulements.
Étude des diagrammes vectoriels de tension pour différents schémas de connexion et détermination expérimentale du groupe de connexion d'un transformateur triphasé.
3. Étude d'un moteur asynchrone triphasé à rotor à cage d'écureuil.
Étude de la construction et de la caractérisation d'un moteur asynchrone triphasé à rotor à cage d'écureuil par les méthodes de circuit ouvert, de court-circuit et de charge immédiate.
4. Étude des méthodes de démarrage des moteurs asynchrones triphasés à rotor à cage d'écureuil.
Étude de la capacité de démarrage des moteurs asynchrones triphasés, du montage du circuit et de la caractérisation des caractéristiques statiques et dynamiques du démarrage du moteur. 5. Étude d'une génératrice à courant continu à excitation parallèle.
Étude du principe de fonctionnement et caractérisation d'une génératrice à courant continu à excitation parallèle.
6. Étude d'une génératrice à courant continu à excitation séparée.
Étude du principe de fonctionnement et caractérisation d'une génératrice à courant continu à excitation séparée.
7. Étude d'un moteur à courant continu à excitation parallèle.
Étude du principe de fonctionnement et caractérisation d'un moteur à courant continu à excitation parallèle.
8. Étude d'un transformateur monophasé.
Objet étudié : transformateur monophasé. Au cours des travaux pratiques, les états de fonctionnement à vide, en court-circuit et en charge sont étudiés, et les caractéristiques externes du transformateur sont mesurées.
9. Étude d'un transformateur triphasé.
Objet étudié : transformateur triphasé. Au cours des travaux pratiques, les états de fonctionnement à vide, en court-circuit et en charge sont étudiés, et les caractéristiques externes du transformateur sont mesurées.
10. Étude des groupes de jonctions d'un transformateur triphasé.
Objet étudié : transformateur triphasé. Lors des travaux pratiques, la différence de tension entre les enroulements primaire et secondaire du transformateur est étudiée lorsque les enroulements 0, 5, 6 et 11 sont regroupés.
11. Étude d'un moteur à courant continu à excitation séparée.
Objet étudié : moteur à courant continu à excitation séparée, moteur à courant continu chargé en mode de freinage dynamique. Lors des travaux pratiques, les caractéristiques de fonctionnement et de commande du moteur sont mesurées.
12. Étude d'une génératrice à courant continu à excitation séparée.
Objet étudié : génératrice à courant continu entraînée par un moteur électrique à courant continu. Lors des travaux pratiques, les caractéristiques à vide, externes et de commande de la génératrice sont mesurées.
13. Étude d'un moteur asynchrone à rotor en cage d'écureuil.
Objet étudié : moteur asynchrone à rotor en cage d'écureuil, chargé par un moteur à courant continu en mode de freinage dynamique. Lors des travaux pratiques, les caractéristiques de fonctionnement et mécaniques du moteur sont mesurées.
14. Étude d'un Selsyns en modes de fonctionnement indicateur et transformateur.
Objet étudié : Selsyns en modes de fonctionnement indicateur et transformateur. Lors des travaux pratiques, le fonctionnement des selsyns en modes indicateur et transformateur est étudié.
Caractéristiques techniques du banc d'essai :
Tension : ~220 V 50 Hz / 3~50 Hz 220 V triphasé + phase + neutre
Consommation électrique : 250 W / 1 kW
Caractéristiques techniques du système de mesure :
Nombre de paramètres affichés sur le banc d'essai : 15 (12 indicateurs)
Voltmètres : 4
Ampèremètres : 6
Phasemètre : 1
Vitomètre : 1
Wattmètres : 2
Fréquencemètre : 1 Plage de tension mesurée : ±1 V à ±750 V
Plage de courant mesuré : ±1 mA à ±5 A
Plage de vitesse mesurée : ±1 rad/s à ±314 rad/s
Plage de fréquence mesurée : 0 Hz à 163 Hz
Précision de mesure : jusqu'à 1 %
Caractéristiques techniques du convertisseur de largeur d'impulsion :
Courant nominal : ±5 A
Tension du bus CC : 300 V
Fréquence du convertisseur : 8 kHz
Surcharge de courant : ±7 A
Caractéristiques techniques du convertisseur de fréquence :
Puissance du moteur : 0,4 kW / 1,5 kWc
Courant nominal : 7 A
Plage de tension de sortie : 3 à 220 V
Méthode de contrôle : MLI sinusoïdale (contrôle U/f, indépendant)
Plage de contrôle de fréquence : 0 à 163 Hz
Résolution de fréquence : 0,3 Hz Hz
Marge de surcharge : 150 % du courant de sortie nominal pendant 1 minute (dépendance intégrale)
Équipement complet NTC-06.01 « Machines électriques » :
Les mesures sont effectuées à l’aide d’ampèremètres de panneau analogiques. Dix ampèremètres sont installés sur le panneau avant du banc d’essai, dont :
1 ampèremètre CA (limite de mesure : 0,2/0,5/1 A, classe de précision : 2,5) ;
2 ampèremètres CC (limite de mesure : 1 A, classe de précision : 2,5) ;
1 ampèremètre CC (limite de mesure : 0,2 A, classe de précision : 2,5) ;
1 voltmètre CA (limite de mesure : 100 V, classe de précision : 1) ;
1 voltmètre CC (limite de mesure : 200 V, classe de précision : 1) ;
Wattmètre AC (limite de mesure 40/450 W, classe de précision 2,5) : 1 pièce ;
Tournevis (limite de mesure 5 000 tr/min, classe de précision 4) : 1 pièce.
La paillasse de laboratoire est fournie avec le matériel méthodologique suivant : documentation technique et méthodologique à destination du personnel enseignant.
La paillasse permet de réaliser les travaux pratiques suivants :
Paillasse « Machines électriques » ;
assemblage d’une machine ;
câble USB 2.0 AM-BM ;
CD-R contenant la documentation et le logiciel d’accompagnement ;
fiche technique ;
jeu de cavaliers.
