Dispositifs expérimentaux servant à l'écriture du modèle d'arcs

Introduction

Comme dans tous les moteurs à courant continu à balais, les contacts balai/lame ont une grande inuence sur le comportement global de la machine. La chute de tension aux bornes d'un contact balai/lame fermé évolue de manière non linéaire en fonction de la densité de courant qui le traverse pour saturer à des tensions comprises entre 0.2 V et 1 V par balai [KP]. Cette caractéristique dépend de la vitesse périphérique de rotation du collecteur, de la pression qu'exerce le balai sur le collecteur mais aussi de la composition intrinsèque du balai. Plus le balai a une teneur élevée en graphite, plus la chute de tension est importante. Les balais enrichis en cuivre ou en bronze orent des chutes de tension plus faibles et des densités nominales de courant plus élevées. Le choix des matériaux des balais résulte d'un compromis entre les qualités tribologiques du graphite et les qualités électriques du cuivre et du bronze. Le but de cette étude sera de connaître l'évolution de la tension aux bornes de l'arc lorsque le contact s'ouvre. Notre dispositif expérimental se propose

donc de mesurer cette évolution pour diérentes vitesses d'ouverture du contact et pour diérentes valeurs d'impédance du circuit coupé.

Principe

Notre dispositif se composait initialement de deux lames de cuivre parfaitement lisses et propres. L'une des lames est xée dans un bâti. La seconde est maintenue contre la première par 3 ressorts plats de type ressort de rappel de pince (voir Fig. 4.14). Ce dispositif est connecté par l'intermédiaire des deux lames à un circuit électrique extérieur principalement inductif (voir 4.15).

Une photodiode est placée à l'aplomb de la lame xe et détecte la présence de l'arc électrique.

Un second capteur (non représenté) placé sur le bâti nous donne une indication de la vitesse de déplacement du contact mobile et par conséquent de la vitesse d'ouverture du contact.

Dans un second temps la lame xe a été remplacée par un dispositif balai/ressort identique à celui du FS18 (voir Fig. 4.14 à droite).

Le principe de l'expérimentation est de couper le circuit en faisant glisser le contact mobile sur le contact xe. Les mesures sont enregistrées sur un oscilloscope YOKOGAWA DL9040 (voir Fig. 4.16). Cinq grandeurs sont numérisées :

Le courant I traversant le contact La tension V_arc aux bornes du contact La tension V_d aux bornes de la diode Le signal logique de présence de l'arc

Le signal logique provenant du capteur de mouvement (déplacement = 1cm)

Figure 4.14 Schématisation du contact glissant Cuivre/Cuivre et Cuivre/Balai

Figure 4.15 Circuit électrique

La gure 4.17 donne un aperçu des évolutions du courant et de la tension pendant l'arc élec-trique. On peut observer une décroissance du courant alors que la tension croit

exponentielle-Figure 4.16 Réalisation du dispositif expérimental

ment après un saut initial. Il est important de noter que toutes nos mesures de tension d'arc sont écrêtées à 400 V en raison de l'isolation de la sonde.

Figure 4.17 Evolution du courant et de la tension lors de l'arc électrique

Résultats obtenus

Les résultats que nous avons obtenus sont très reproductibles. Un programme automatisé nous permet de donner pour chacun des essais un certain nombre de courbes.

La gure 4.18 présente l'évolution de la puissance dissipée dans l'arc électrique.

La partie négative de la courbe à la n de l'arc ne doit pas être prise en compte : la tension à cet instant est très élevée alors que le courant est très faible, le produit des deux accentue fortement les incertitudes sur la mesure du courant.

Le rapport tension/courant assimilable à la résistance d'arc en fonction de la longueur est présentée (voir Fig. 4.19).

Extension de la manipulation à un contact balai/lame tournant

Le but de ces expérimentations est de retrouver, le plus précisément possible, la valeur de la chute de tension aux bornes d'un contact glissant pour une valeur de courant donnée et une vitesse d'ouverture de contact donnée. Pour ceci, nous avons remplacé le dispositif de contact glissant

Figure 4.18 Evolution de la puissance dissipée pour l'enregistrement eectué

Figure 4.19 Evolution du rapportU/I de l'arc en fonction de sa longueur

précédent par un contact glissant rotatif. Celui-ci peut être entraîné par un moteur auxiliaire, ce qui permet d'atteindre des vitesses de rotation bien supérieures au dispositif précédent. De plus, ce contact rotatif dispose des mêmes balais, du même collecteur, et des mêmes ressorts que dans un démarreur FS18 classique. Grâce à ces dispositions, nous nous rapprochons au plus près des conditions réelles de la machine.

Le contact glissant rotatif (voir Fig. 4.20) permet d'ouvrir et de fermer le circuit deux fois par tour. Il se compose d'un collecteur à 25 lames monté sur un arbre et entraîné par un moteur auxiliaire. Deux groupes de lames ont été court-circuités par des ls poinçonnés sur le talon du collecteur. Deux balais diamétraux viennent frotter sur la périphérie de ce commutateur méca-nique.

Figure 4.20 Induit servant à la mesure et schéma de principe

Nous avons donc fait une campagne de mesure pour diérentes vitesses d'ouverture du contact.

Partant de diérents courants de départ I₀, nous avons ouvert le circuit et enregistré les gran-deurs V_d, V_arc et I_arc (voir gure 4.21). Pour chaque essai, nous avons identié la résistance R et l'inductanceL du circuit contact fermé (voir Tab. 4.1).

Nous avons cherché à modéliser l'évolution de la tension d'arc suivant deux approches. La première consiste à remplacer l'arc par une source de tension ; la seconde par une source de courant. Ces modèles équivalents seront ensuite intégrés dans la modélisation plus complète de la

Figure 4.21 Evolution de la tension et du courant d'arc

Inductance 1 Inductance 2 Inductance 3 Inductance 4

L(mH) 0.52 0.33 0.78 0.91

R(mΩ) 88.4 53.5 94.3 74.2

Table 4.1 Valeurs des paramètres R et L pour 4 inductances diérentes

machine.