AI-Mach.Elec_Chp.4-Machines à Courant Continu

Chapitre

MACHINES À

COURANT CONTINU

Machines Électriques

Prof. Mourad ZEGRARI

4

Machines àCourant Continu© M. ZEGRARI 2

Plan

Principe.

Constitution.

Production de la force électromotrice.

Génératrice à courant continu.

Moteur à courant continu : caractéristiques électromécaniques.

Variation de la vitesse des Moteurs CC.


Présentation

La Machine à Courant Continu (MCC) est un convertisseur électromécanique réversible :

Génératrice CC : pratiquement elle n’est plus utilisée pour la production de l’énergie

électrique. Cependant, on l’utilise encore comme excitatrice des alternateurs des

centrales, ou pour un freinage par récupération.

Moteur CC : utilisé à grande échelle dans les entraînement à vitesse variable en raison

de sa souplesse de commande. Utilisé également dans la traction électriques.

Génératrice

Énergie

Électrique

Énergie

Mécanique

Moteur


Analyse fonctionnelle

Inducteur (fixe) : placé au stator, il permet de produire une f.m.m. constante.

Induit (mobile) : enroulement placé au rotor et siège des f.é.m. induites.

Collecteur : solidaire au rotor avec des lames en cuivre reliées au bobinage de l’induit.

Balais : fixes au stator et frottant contre le collecteur, conversion DC-AC des tensions.

InducteurInduit Collecteur

Balais

Machine à Courant Continu

à collecteur et balais

Machine Synchrone associée

à un convertisseur CC-CA


Constitution générale

Un système inducteur :

Formé d’un aimant permanent ou d’un

électro-aimant bobiné, il produit une

force magnétomotrice constante.

Un système induit :

Constitué par un enroulement mobile

placé dans un rotor siège des forces

électromotrices induites alternatives.

Un collecteur :

Dispositif de redressement mécanique

de la tension induite alternative.

VentilateurInduit

bobiné

Inducteur

Collecteur

Boîte à bornes

Balais

Une machine à courant continu comporte les éléments suivants :


Stator : Structure

Le stator comporte les parties suivantes :

Boite à bornes : pour le câblage de la machine.

Fixation : bride et support de fixation.

Culasse : partie extérieure de la machine.

La culasse supporte les éléments de la machine et permet de guider les lignes du

champ inducteur. Elle peut être constituée d’acier massif car le flux est fixe.

Boîte à bornes

Culasse

Fixation

N S

Lignes du champ inducteur

e


Aimants permanents : champ fixe

Les pertes joules dans l’inducteur sont supprimées

mais l’excitation magnétique est fixe.

Dans les grosses machines, le coût des aimants

pénalise cette solution.

Types d’inducteurs

Enroulements polaires : champ réglable

L’inducteur est parcouru par un courant d’excitation Ie

réglable afin de modifier le flux inducteur e. Pour les

machines de fortes puissances, on place des pôles

auxiliaires pour améliorer la commutation du courant

dans les conducteurs de l’induit.

Le flux d’excitation e peut être créé par :


Couplage des enroulements inducteurs

Excitation Composée

(Compound)

Source

Externe MCC

Excitation Séparée

(Indépendante)

MCC

Excitation Shunt

(Parallèle)

MCC

Excitation Série

MCC

Courte dérivation

MCC

Longue dérivation


Constitué d’un cylindre :

Laminé pour réduire les pertes magnétiques.

Muni d’encoches permettant de loger les enroulements de l’induit.

Associé à un dispositif de redressement mécanique : Collecteur.

Rotor : Structure

Rotor


Le collecteur permet d’assurer la commutation du

courant d’alimentation dans les conducteurs de

l’induit. C’est un convertisseur mécanique AC-DC en

génératrice et DC-AC en moteur.

Le montage est réalisé par une juxtaposition des

lames de cuivre séparées par des lames isolantes.

Chaque lame est connectée au bobinage induit.

C’est le constituant critique des machines CC :

Ses lames sont soumises à des forces centrifuges

considérables.

Son usure due au frottement des balais nécessite

une maintenance régulière.

Il accroît de 25% la longueur de la machine.

Collecteur


Caractéristiques

Un balai couvre environ la largeur d’une lame et demi.

La pression du balai est assurée par un ressort.

La chute de tension eB due à un balai est d’environ 0,3V à 3V.

Problème : L’usure du balai provoque la mise en court-circuit du collecteur.

Remède : Nécessité de souffler, avec de l ’air comprimé, le collecteur et les porte-balais

Balais et porte balais

Porte-balaisBalais


Expression de la force électromotrice

La force électromotrice à vide peut s’exprimer sous la forme généralisée suivante :

Ev : Force électromotrice à vide (V)

K = 2 Z (p/a) : Constante de machine telle que :

Z : Nombre de conducteurs dans l’induit.

p : Nombre de paires de pôles.

a : Nombre de paires de voies d’enroulements.

e : Flux inducteur (Wb)

: Vitesse de rotation (rad / s)

eev K2

Z.

a

pE


Fonctionnement à vide

On relève, pour une vitesse constante, l’évolution de la tension à vide Ev aux bornes de

l’induit, en fonction du courant Ie d’excitation :

Ev = K e

La caractéristique Ev (Ie) est similaire à la

caractéristique magnétique e(Ie) ou

encore B(H) de la machine.

La tension nominale Van est en général

située dans le coude de la caractéristique.

Le flux rémanent r induit une f.é.m.

rémanente Er non nulle même si Ie = 0. Ie

Er

Ev

Ev = Van

O Ien

A


Fonctionnement en charge

Le modèle de la machine à courant continu est le suivant :

La tensions Va aux bornes de l’induit est telle que :

Avec : :K2

Z.

a

pE

aaa

aba IRdt

dILeEV

Va

Ve

Source

Externe

IeIae

Modèle de l’Induit

RaLa

E

Force électromotrice en charge due

au flux résultant : = e + a

eb : Chute de tension dans les balais (eb = 1 à 3 V)

Ra : Résistance de

l’enroulement induit.

La : Inductance du bobinage

induit.

Re : Résistance de

l’enroulement inducteur.

Re


Des pôles de compensation sur des machines de

puissance supérieure à 150 kW.

Des enroulements de stabilisation sur des machines de

puissance supérieure à 10 kW.

La Réaction Magnétique de l’Induit peut être corrigée par :

Des pôles de commutation sur des machines de

puissances entre 1 et 10 kW.

Correction de la RMI


La tension Va s’écrit : Va = Ev – eRMI – Ra Ia

La chute de tension est : Va = Ev – Va = Ra Ia + eRMI

Caractéristique de sortie Va = f(Ia)

Va (V)

Ia (A)0

Va

Van

Ian

Ev

RaIa


Couple électromagnétique

La puissance électrique de sortie Pe est :

Pe = Va.Ia = E Ia – Ra I2a = Pem – pja

La puissance électromagnétique Pem s’écrit :

Pem = Tem. = E Ia

Le couple électromagnétique est :

Si le circuit magnétique est supposé linéaire :

aeaaem

em IKIKIEP

T

(en négligeant la RMI)

aeeaeem I.IKKIKT


Génératrice CC : Excitation Shunt

Le circuit inducteur est alimenté par l’induit de la génératrice : Auto-excitation.

Courant IG fourni par la génératrice : IG = Ia + Ie Ia

Tension Va aux bornes de l’induit : Va = E – Ra Ia = Re Ie

Force électromotrice en charge : E = K..

Va

Ie Ia

Ra

E

Re

IG

GCC

Ie Ia

Inducteur

(Stator)

Induit

(Rotor)

Ve

IG

VaSchéma électriquene


Génératrice CC : Excitation Composée

Génératrice à excitation composée (appelée aussi génératrice compound).

Le flux inducteur est crée à la fois par :

Un enroulement série (S1-S2) connecté en série avec l’induit.

Un enroulement shunt (E1-E2) connecté en parallèle avec l’induit.

La caractéristique à vide et les conditions d’amorçage sont identiques à ceux de la

génératrice à excitation shunt.

GCC

IeIa

Montage “courte dérivation"

IG

Va

S1E1

E2

S2

GCC

IeIa

Montage “longue dérivation"

IG

Va

S1

E1

E2

S2

nene

ns

ns


Moteur CC : Principe

On alimente l’induit par un source continue Va.

Le courant induit Ia se répartit également dans les voies d’enroulements.

Le sens de Ia est le même pour les conducteurs situés sous le même pôle inducteur.

Sous l’action du champ inducteur : Création des forces de Laplace F1 et F2.

Apparition d’un couple électromagnétique Tem qui entraîne l’induit en rotation à la

vitesse .

N S

Be

F1

F2

Be

Tem

Ia

Va

A

B


Moteur CC : Excitation séparée

Le circuit inducteur est alimenté par une source continue Ve externe :

Tension aux bornes de l’induit : Va = E + eb + Ra Ia

Force contre électromotrice en charge :

Tension aux bornes de l’inducteur : Ve = Re Ie

K2

Z.

a

pE

VeMCC Va

Ie e

Inducteur Induit

Ia

VeVa

IeIa

Re

Ra

E

ne


Moteur Séparé : Caractéristique de couple

Mise en équation :

Le bilan des puissances dans l’induit s’écrit :

Va Ia = E Ia + Ra I²a Pe = Pem + pj

Couple électromagnétique délivré par le moteur :

Comportement en charge :

Zone Linéaire OA :

Le flux est constant (RMI compensée).

Tem proportionnelle à Ia.

Coude de la courbe AB :

Diminution du flux suite à la RMI.

Pente de la caractéristique modifiée.

aaem

em IKIEP

T

O Ian

A

B

Effet de

la RMI

Tem

Ia

Temn


Moteur Séparé : Caractéristique de vitesse

Mise en équation

La force contre électromotrice du moteur :

E = Va – RaIa = K

L’expression de la vitesse est :


Chute de tension ohmique augmente.

Terme (Va – Ra Ia) diminue.

Réduction du flux à cause de la RMI.

Terme (K) diminue aussi.

Conséquence :

Faible chute de vitesse ( 10%)

K

IRV aaa

0

n

Ian

v

Ia


Moteur Séparé : Caractéristique mécanique

Mise en équation :

Expressions du couple et de la vitesse en fonction du courant :

Le Couple électromagnétique peut s’écrire :


Évolution linéaire à forte pente :

(légère chute de la vitesse).

Caractéristique utile similaire à celle

d’un moteur asynchrone à cage.

aaem

em IKIEP

T

n

Temn

K

IRV aaa

a

2

a

aem

R

K

R

VKT

Vitesse à vide

a

2

R

K

Tem

v


Moteur CC : Excitation Shunt

Les enroulements de l’induit et de l’inducteur sont est connectés en parallèle :

Tension aux bornes de l’induit : Va = E + eb + Ra Im E + Ra Ia

Force contre électromotrice en charge :

Les caractéristiques sont identiques à celles d’un moteur à excitation séparée.

K2

Z.

a

pE

Schéma électrique

MCC Va

Ie

Inducteur Induit

Ia

Im

Va

Ie Ia

Re

Ra

E

Im

ne


Moteur CC : Excitation Série

Le circuit inducteur est connecté en série avec l’enroulement induit.

Tension Va aux bornes de l’induit : Va = E + eb + (Ra+Rs).Ia E + (Ra+Rs).Ia

Force contre électromotrice en charge : E = K.. = K Ke Ia (saturation négligée)

Schéma électrique Va

Ia

Ra

E

Rs

MCC

Ia

Moteur Série

Va

ns


Moteur CC : Excitation Composée

Le flux inducteur est crée à la fois par :

Un enroulement série (S1-S2) connecté en série avec l’induit.

Un enroulement shunt (E1-E2) connecté en parallèle avec l’induit.

MCC

IeIa

Montage “courte dérivation"

Im

Va

S1E1

E2

S2

ne

ns

Ia

Va

MCC

Ie

Montage “longue dérivation"

Im

S1

E1

E2

S2

ne

ns


Variation de la vitesse

Moteur d’étude

Moteur à courant continu à excitation séparée.

Équations simplifiés :

Expression de la vitesse :

Caractéristique mécanique :

Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().

Paramètres de variation de la vitesse :

Résistance d’induit : Ra

Flux inducteur :

Tension d’alimentation : Va

a a a a a

em v em2

V R I V RT mT

K K K

av

V

K

a

2

Rm

K

v emmT


Action sur la résistance de l’induit

Procédure :

Placer une résistance Rv en série avec l’induit.

Mode de variation :

Vitesse à vide v inchangée.

Modification de la pente m de la

caractéristique mécanique.

1

Tr

Tem

v

a v

2

R Rm

K

av

V

K

Ra1Ra2Ra3

3 2

Entraînement à couple résistant constant


Action sur le flux inducteur

Procédure :

Varier le courant inducteur Ie d’excitation.

Mode de variation :

Modification de la vitesse à vide v.

Modification de la pente m de la

caractéristique mécanique.

Tr

Tem

a

2

Rm

K

av

V

K

1 2 3

v1 v2


v3


Action sur la tension d’alimentation

Procédure :

Varier la tension Va d’alimentation de l’induit.

Mode de variation :

Vitesse à vide v déplacée.

Pente m de la caractéristique mécanique

reste inchangée.

Tr

Tem

v1

a

2

Rm

K

av

V

K

Va1Va2Va3

v3 v2



Modes de variation de la tension

Hacheur 4 quadrants

Pont en H réversible en

courant et en tension. VCC

icc

ia

T2

T1 D1

D2 D4

T3D3

T4va

MCC

M

A

C

B

A

B

CLS

LS L

L

T

Double pont redresseur SCR

Redresseurs à thyristors

réversibles montés en inverse.

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