II. Moyens expérimentaux
II.3 Génération d’air
II.3.1 Le moteur
Le moteur du banc fixe les conditions génératrices du jet. Le modèle utilisé est un ventilateur centrifuge, l’air s’engouffre dans une ouverture au niveau de l’axe de rotation et est véhiculé par les pâles en suivant une trajectoire en spirale. Il en résulte un phénomène d’inertie qui augmente la vitesse de l’air.
Fig. 2.2 Volute et roue centrifuge du ventilateur.
Par opposition aux machines axiales et de par cette augmentation de pression statique, le modèle centrifuge autorise des
P
entre l’amont et l’aval bien meilleur. En contrepartie, à diamètre de roue égale, la section d’entrée du ventilateur centrifuge est plus faible et sa capacité de débit volumique est inférieure.La volute a pour rôle de transformer le mouvement de rotation du fluide en mouvement de translation.
II.3.2 Condition de sortie
La section de sortie du ventilateur doit être la plus adaptée possible à la section du conduit de distribution. L'idéal est que le ventilateur hélicoïde débite dans une conduite de même section que son diamètre et de direction constante. En effet, de par la forme du ventilateur, le profil de vitesse en sortie se trouve déformé et nécessite une certaine distance pour revenir à un état d’équilibre.
II.3.3 Courbe caractéristiques et point de fonctionnement
Les courbes caractéristiques donnent, en fonction du débit, la pression dynamique à fournir par le ventilateur pour mettre l'air en mouvement dans le réseau de distribution.
Fig. 2.4 Courbe caractéristique et point de fonctionnement.
La caractéristique (trait continu) part d’un débit nul, augmente jusqu'à une valeur maximum puis diminue lorsque le débit commence à augmenter. La zone d’utilisation est située à droite du maximum afin d’éviter le phénomène de pompage.
Lorsque l'on branche un ventilateur sur un circuit, il stabilise son débit à une valeur pour laquelle la pression qu'il fournit équivaut à la résistance du circuit. C’est le seul point de fonctionnement possible. Il correspond à l'intersection des courbes caractéristiques du ventilateur et du circuit et il définit la hauteur manométrique et le débit fournis par le ventilateur lorsque, fonctionnant à une vitesse donnée, il est raccordé au réseau. L’abaque est donné pour le régime maximal de notre moteur : 1750 RPM.
II.3.4 Contrôleur de vitesse
Le contrôleur de vitesse est un variateur de fréquence qui permet de faire varier la fréquence de rotation du moteur et donc d’augmenter ou réduire le débit de sortie. Ce contrôleur redresse dans un premier temps le courant alternatif pour en faire du courant continu.
Il utilise ensuite une série de transistors pour transformer le courant continu en courant alternatif à fréquence variable.
Ce courant alternatif est alors introduit dans le moteur à courant alternatif à la fréquence et la tension nécessaire pour produire la vitesse de moteur souhaitée.
Dans notre cas la fréquence du réseau est de 60 Hz, celle-ci produit 100% de la vitesse nominale du moteur. Une fréquence inférieure produit une vitesse plus faible, et une fréquence plus élevée, produit une vitesse plus élevée. De cette façon, le variateur peut produire des vitesses de rotation d’environ 15 à 200% de la fréquence nominale d’un moteur, c'est-à-dire respectivement des fréquences de 9 à 120 Hz.
Le contrôleur possède un bridage d’usine permettant de faire varier la fréquence de 0 à 60 Hz. En fixant la fréquence de rotation à son maximum (60Hz), la vitesse en sortie de tuyère atteignait seulement 40 m/s. Soit
R
e80000
. Or pour atteindre leR
e125000
, il fallut augmenter le débit d’air. Nous avons débridé le moteur afin de disposer d’une plage plus importante de vitesse : de 0 à 120 Hz.Cette modification a permis d’augmenter la vitesse de rotation et donc du débit d’air. Pour une fréquence de rotation de 100 Hz, la vitesse de sortie atteignait environ les 64 m/s.
Fig. 2.5 Variateur de fréquence du moteur.
Les variateurs de fréquences C.A nous offrent une vaste plage de vitesse, une possibilité de contrôle d’opération et de variante tel que : les rampes programmables d'accélération et de décélération, plusieurs vitesses préréglées, excellente efficacité énergétique et un contrôle sur le rapport vitesse couple.
Cependant le bruit électronique émit par les composants (redresseur et onduleur), est nuisible pour le signal de nos acquisitions. Ce contrôleur a donc été éloigné d’une dizaine de mètres de la zone de mesure afin de réduire au maximum la pollution du signal.
Le changement de vitesse peut se faire directement sur le boitier du contrôleur, mais aussi depuis une interface de contrôle sur un ordinateur. Le contrôleur est relié à l’ordinateur grâce au boitier ci-dessous qui permet la communication entre l’ordinateur et le contrôleur. La procédure de synchronisation est décrite en annexe.
II.3.5 Limite de la génération d’air
Le fonctionnement en régime nominal ne pose aucun problème, le moteur remplie sa tâche et génère une vitesse stable.
Par contre c’est quand on tente d’approcher les frontières hautes et basses des fréquences de rotation que l’on voit les limites du contrôleur.
En faible régime de rotation (fréquence ≤ 5 Hz) ou en haut régime de rotation (fréquence ≥ 105 Hz) le contrôleur se met en défaut au bout de quelques minutes de fonctionnement. C’est le travail du relais de surcharge thermique. Il est monté dans l’extrémité de l'armature ou sur un enroulement, il est conçu pour empêcher le moteur de surchauffer, évitant ainsi d’endommager et même empêcher celui-ci de prendre feu. Les protections thermiques sont généralement sensibles aux courants et températures.
Les limites matérielles induisent une plage d’utilisation allant de 5 Hz à 105 Hz.