12010-2011 Mohamed ELLEUCH

machine à courant continuINTRODUCTIONINTRODUCTION

Les machines à courant continu sont des machines réversibles

la marche en moteur qui est, de loin, la plus importante

on préfère utiliser des redresseurs statiques à diodes ou p qà thyristors.

2010-2011 2Mohamed ELLEUCH

Perspectives

le moteur à courant continu étant le moteur idéal pour lesle moteur à courant continu étant le moteur idéal pour les entrainements à vitesse variable.

Il a connu, dans certaines années un nouvel essor grâce au développement des commandes électroniques.

A partir des années 2000, ces moteurs à courant continu sont de plus en plus remplacés par les moteurs asynchronessont de plus en plus remplacés par les moteurs asynchrones.

Ces derniers munis de variateurs de vitesse sophistiqués permettent de retrouver pratiquement les performances des moteurs à courant continu.

2010-2011 Mohamed ELLEUCH 3

Moteur cc de laminoir fourni en 1915, moderniséen 1955 et toujours en service.j

2010-2011 4Mohamed ELLEUCH

Moteur cc de laminoir couple max : 2500kNm à 50 tr/min, 1950,

2010-2011 5Mohamed ELLEUCH

Fém induite dans une spire

ωB

N SdS

θdS

• Φ = B.S.cosθΦ• θ = ωt• e = -dΦ/dt = Em.sinωt !!!!e dΦ/dt Em.sinωt !!!!

62010-2011 Mohamed ELLEUCH

Principe de fonctionnement :Redressement de la fémRedressement de la fém

Collecteur

Bague Balais

Balais

72010-2011 Mohamed ELLEUCH

Organisation Industrielle

82010-2011 Mohamed ELLEUCH

permanent-field transmission 1 ( )gear 1.5 kW (Bosch)

92010-2011 Mohamed ELLEUCH

DC disc-type rotor 1 kW (ABB)yp ( )

102010-2011 Mohamed ELLEUCH

universal motor (AC-DC) 300W

112010-2011 Mohamed ELLEUCH

DC-Motors : Organisation

2010-2011 12Mohamed ELLEUCH

Induit

132010-2011 Mohamed ELLEUCH

Inducteur: Stator

142010-2011 Mohamed ELLEUCH

Circuit inducteur

Machine bipolaire: p = 1

Courbe B(θ) réelleCourbe B(θ) réelle

Machine tétrapolaire:

p = 2tétrapolaire:

p = 2

Courbe B(θ) idéalisée

15

Courbe B(θ) idéalisée

2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Fém induiteMise en série des sections:Mise en série des sections:

EE

2 voies d’enroulement:a = 1

4 voies d’enroulement:a = 2

Balais décalés de α: α = 0

p: paire de pôlesa: paire de voie d’enroulementn: nombre de conducteurs actifs de l’induitΦ: flux par pôleN: vitesse du rotor en tr/sα: décalage mécanique des balais par rapport à

l li t16

la ligne neutre2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Bobinage de l’induit

Enroulement imbriqué simplep = a = 1 (2 balais)p = a = 1 (2 balais)

Enroulement imbriqué simplep = a = 2 (4 balais)

Enroulement ondulé simple :p = a = 2 (2 balais)p ( )

Utilisé pour les moteurs en traction électrique:

fém élevée (courant réduit)N b d b l i i i

17

Nombre de balais minimum

2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Le Rotor

++

2010-2011 18Mohamed ELLEUCH

Balais

2010-2011 19Mohamed ELLEUCH

Machine industrielle

202010-2011 Mohamed ELLEUCH

Machine complète

2010-2011 21Mohamed ELLEUCH

Moteur à 11 MNm

2010-2011 22Mohamed ELLEUCH

Montage de la Machine à Courant ContinuCourant Continu

2010-2011 23Mohamed ELLEUCH

Réversibilité

242010-2011Mohamed ELLEUCH

Réaction transversale de l’induit

Créé par inducteur seul

Créé par induit seulinducteur seul seul

•Conséquences: - Distorsion des lignes d’induction - Affaiblissement du flux global s’il ya saturation

Accentue les problèmes de commutation

252010-2011 Mohamed ELLEUCH

- Accentue les problèmes de commutation

Remèdes RMI transversalepetite puissancep ppetite puissance

•Pour les petites machines, on f it d f t l it di lfait des fentes longitudinales dans l’inducteur

• ces fentes ne nuisent pas au flux inducteur, tandis qu’elles créent des chemins de grande réluctance pour le champ de l’i d itl’induit.

262010-2011 Mohamed ELLEUCH

Remèdes RMI transversalegrande puissance

•Pour les grosses machines, on

grande puissanceg ,

dispose un enroulement de compensation.•cet enroulement est, pour une machine à deux pôles, l’équivalent d’un solénoïde quel équivalent d un solénoïde que l’on dispose dans les pièces polaires. p•Cet enroulement est branché en série avec l’induit, le sens de

l ice courant étant opposé à ce lui des brins actifs qu’il doit neutraliser

Bobines de compensation

2010-2011 Mohamed ELLEUCH 27

neutraliser.

Commutation : Phénomène

Induit + Collecteur en mouvement

Section en commutation

B l i fi

• le courant dans la section avant la commutation (i=I/2) et après la commutation (i=-I/2).

Balais fixes

Commutation idéale

l’inductance de la section en court-circuit a un double effet :

• Elle s’oppose à la disparition du courant I/2.pp p• Elle s’oppose à l’établissement du courant -I/2.Remarque: La commutation est inévitable. Elle est

inhérente au fonctionnement de la machine à mm

utat

ion

mm

utat

ion

elle

san

s ét

ince

lle

inhérente au fonctionnement de la machine à courant continu

28C

omC

om rée é

2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Pôles de commutationCes pôles dont les axes sont sur la ligne• Ces pôles dont les axes sont sur la ligne neutre à vide

• sont étroits de même longueur que les

Ligne neutre

pôles principaux. • Leurs bobines magnétisantes, qui sont

en série avec l’induit comportent peu deen série avec l induit comportent peu de spires de forte section.

• pour induire dans la spire en court-i it f é i t li àcircuit une f.é.m. e qui neutralise, à

chaque instant cette tension de réactance (qui s’oppose à l’inversion du courant)

• Le pôle de commutation anticipe le pôle sous lequel va passer la section en

Section qui va commuter: Elle

passe du pôle (sud) sous lequel va passer la section en commutation

• Pour les petites puissances, les pôles d t ti t tili é i

au pôle (nord)

Le pôle de commutation va devancer le pôle principal pourde commutation sont utilisés aussi pour

la compensation de la RMI transversale. 29

devancer le pôle principal pour commencer l’inversion du

courant 2010-2011Mohamed ELLEUCH

Le STATOR : Machine de grande puissance (1)

Pôle de commutation

Bobines de compensation2010-2011 30Mohamed ELLEUCH

Le STATOR : Machine de grande puissance (2)

4 pôles inducteur4 bobines de commutation

Bobines de compensation2010-2011 31Mohamed ELLEUCH

• En général on suppose que la machine est parfaitement compensée:

Equations générales de fonctionnement

±

En général, on suppose que la machine est parfaitement compensée:

• La f.é.m. à vide entre balais:

±Φoo

• On néglige donc:En Charge : Moteur:

On néglige donc:• La chute eB

• La diminution du flux: (Φch ≈ Φo)

322010-2011 Mohamed ELLEUCH

Couple électromagnétique• force de la place

332010-2011 Mohamed ELLEUCH

Expression du couple

pjinducteuru.Ie

PFERi d itU

I

u.Ie induitU

IePa =

U.I + u.IePainduit =

U.I

Pem = Ech.I

= Cem.ΩPu =CU.Ω

ΩCu

Pjinduit = R.I2 pméca

342010-2011

Mohamed ELLEUCH

Couple utile

Le couple moteur et le couple résistant satisfont:

352010-2011 Mohamed ELLEUCH

Bilan énergétique (Moteur)

362010-2011 Mohamed ELLEUCH

Problèmes posés par les moteurs

Au démarrage: Il faut limiter Id !!!

3) Les deux solutions combinées peuvent être utilisées en même temps :

Di iDiminuer Ud et insérer un rhéostat Rd.

372010-2011 Mohamed ELLEUCH

Problème d’emballementTension aux bornes de l’induit:

• Il faut donc protéger les moteurs à CC contre les it ti (F ibl fl !)sous-excitations (Faible flux!)

382010-2011 Mohamed ELLEUCH

Différents modes d’excitation

Excitation séparée ou indépendante Excitation shunt Aimant permanent

Excitation sérieExcitation composée

ou compound

392010-2011 Mohamed ELLEUCHLes moteurs DC qui restent en exploitation sont surtout l’excitation indépendante ou série

Moteurs série• induit et inducteur sont parcourus par le même• induit et inducteur sont parcourus par le même

courant I• Caractéristique de vitesse

Pour une tension donnée U, on obtient :Pour une tension donnée U, on obtient :

402010-2011 Mohamed ELLEUCH

Caractéristique mécaniqueΦ

I

AV. Sat

AP. Sat

412010-2011 Mohamed ELLEUCH

Couple Cem(N)P éli i ti d t d é ti i t• Par élimination du courant des équations suivantes:

En plus de l’équation Φ(I) : (Φ = k.I Av-Sat; ou Φ = cte Ap. Sat )

Allure « hyperbolique » de la caractéristique mécanique, appelée aussi « caractéristique série » : (vitesse varie beaucoup avec la charge)

42

« caractéristique série » : (vitesse varie beaucoup avec la charge).2010-2011 Mohamed ELLEUCH

gEtude du démarrage

• Ce couple fort de démarrage justifie l’utilisation du moteur série dans la traction électrique où l’on a besoin d’un démarrage (le plus rapide possible) après chaque arrêt dans une station donnée (vu le nombre d’arrêts sur une ligne!)

432010-2011 Mohamed ELLEUCH

Freinage par récupération• Le plus souvent, quand la source de la tension le permet, on

freine en récupération après avoir transformé la machine en p pgénératrice à excitation indépendante :

• U>E: Fonctionnement moteur• U<E: Freinage (Fonctionnement Générateur)

L’énergie cinétique du moteur est restituée sous forme g qélectrique à la source U.

Condition:I

IG• Il faut que la source de tension soit réversible! IM

E• Sinon l’énergie cinétique du U

R

Sinon l énergie cinétique du moteur sera dissipée pendant le freinage dans un rhéostat

44

Ieg

2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Freinage Rhéostatique• Le freinage rhéostatique est possible mais il faut inverser

les connexions entre induit et inducteur en même temps qu’on sépare la machine de la source pour la brancherqu on sépare la machine de la source pour la brancher sur la résistance de débit.

452010-2011 Mohamed ELLEUCH

Universal machine(Moteur Universel) ( )

Approach for flux determination:

A phase shift applies for the armature currentApproach:

highest possible direct componentAssumes: cosρ ----> 1Assumes: cosρ ----> 1

and ρ ----> 0

462010-2011 Mohamed ELLEUCH

Voltage equation

472010-2011 Mohamed ELLEUCH

universal machine, speed characteristicpspeed characteristic

48universal machine, speed characteristic (AC, DC)2010-2011 Mohamed ELLEUCH

moteur à excitation indépendante

NN0

excitation séparée

I0

492010-2011 Mohamed ELLEUCH

pCouple

502010-2011 Mohamed ELLEUCH

Caractéristique mécaniqueC

excitation séparée

NNvide

Remarques :

La caractéristique mécanique du moteur est appelée caractéristique shunt puisque la vitesse varie peu avec la charge.

Par la variation de la tension U, la caractéristique mécanique se translate parallèlement à elle-même permettant de développer un couple donné à différentes vitesses.différentes vitesses.

Les différentes caractéristiques du moteur sont pratiquement linéaires. Ceci facilite la commande de ce moteur

51

facilite la commande de ce moteur.2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Caractéristiques du moteur à excitation indépendanteindépendante

522010-2011 Mohamed ELLEUCH

Freinage• si U devient inférieure à E, le courant s’inverse dans l’induit et

par suite le couple.

532010-2011 Mohamed ELLEUCH

Applications industrielles

• Le moteur série est essentiellement celui de la traction électrique C’est lui qui équipe actuellement destraction électrique. C est lui qui équipe actuellement des locomotives, ainsi que des rames automotrices (métro, T.G.V, etc …) et cela pour les raisons suivantes :) p

Il présente un couple de démarrage élevép p g

Il supporte bien les surcharges

Il est autorégulateur de puissance (il ralentit automatiquement dans les montées mais l’augmentation du courant est limitée)les montées, mais l augmentation du courant est limitée).

Il est robuste.

542010-2011 Mohamed ELLEUCH

Applications Industrielles

Le moteur à excitation indépendante se rencontre principalement avec son variateur de vitesse dans des équipements industriels (machines

til l i i ) ù l’ dé ioutils, laminoirs, pompes …), où l’on désire :

Donner à la machine entrainée la vitesse optimale correspondant à chacun de ses régimes de fonctionnement

Asservir la vitesse ou d’autres grandeurs moteurs g

Pour fournir à ces moteurs la tension continue variable, on les équipePour fournir à ces moteurs la tension continue variable, on les équipe pratiquement toujours de convertisseurs électroniques (redresseurs ou hacheurs).

Seuls les convertisseurs réversibles permettent un fonctionnement dans les quatre quadrants.

552010-2011 Mohamed ELLEUCH

Fonctionnement 4 QuadrantsN

vitesse

12

vitessecouple

couple

moteur AVfreinage marche AV

Cmoteur AR

freinage marche AV

freinage marche AR

3 4

vitesse

couple couple

vitesse

couple couple

2010-2011 56Mohamed ELLEUCH

Exemple : monte-chargep g

2010-2011 57Mohamed ELLEUCH

Montée = marche AV

Quadrant 1

Marche

vitesse

Marche Moteurpendant la

couplependant la montée

Quadrant 1

2010-2011 58Mohamed ELLEUCH

Descente = marche AR

Quadrant 4

Freinage

vitesse

coupleFreinagependant la descentedescente

2010-2011 59Mohamed ELLEUCH

FIN•FINMachine à CourantMachine à Courant

ContinuContinu

602010-2011 Mohamed ELLEUCH