Electrotechnique:Electricité Avion,

La machine à Courant ContinuDr Franck Cazaurang, Maître de conférences,

Denis Michaud, Agrégé génie Electrique,

Institut de Maintenance AéronautiqueUFR de Physique, Université Bordeaux I

TSMCC

MCC:Le Moteur à

courant continu

MCC:Le Moteur à

courant continu

Sommaire: MCC

• Fonctionnel Mcc

• Fonctionnement Machine à Courant Continiu

• Description interne

• Mécanique...

• Les relations

• L’excitation

• Bilan de puissance

• Caractéristiques

• Exemple de MCC

• Moteur / Génératrice

• Commande

• Commande par pont

• Photos: inducteur + MCC

• Rappel des caractéristiques électro-mécaniques

• Les modes d’excitation de la MCC

TSMCC

GND

0 164 8 12

- +

0 164 8 12

- +MCC12 V

TS

Fonctionnel

MCC

CONVERTIONELECTRIQUE

→MECANIQUE

CONVERTIONELECTRIQUE

→→MECANIQUE

EnergieElectrique

Rotation

TS

Fonctionnement

MCC

N

S

Alimentation

I

F

F

TS

Fonctionnement

MCC

Alimentation

N

S

I

F

FFrottemententre balaiset collecteur

TS

Fonctionnement

MCC

Alimentation

N

S

IF

F

Frottemententre balaiset collecteur

TS

Description interne

MCC

N S

Stator

StatorEnroulements d’inducteurSi le moteur est àaimant permanent, ces enroulements n’existent pas.

Rotor

Enroulements d’induit

Description interne

MCC

N S

TS

SN

Description interne

MCC TS

Parties tournantes :

Mécanique...

MCC TS

Ω (rd/s) = n (tr/mn) ×60π2

Vitesse de rotation :Vitesse de rotation :

Moments de force :Moments de force :

Puissance :Puissance :Putile (en Watt) = T (en N.m) × Ω (rd/s)

A l’équilibre, M1 = M2 ⇒ |F1| = |F2| ×OA'OB'

BB

F1

F2A

OA’ BB’’

Si flux constant : K × ϕ = Kϕ

E = Kϕ × ΩT = Kϕ × I

Les relations

MCC TS

femfem : : E = K × ϕ × Ω

Vitesse

FluxE (V)

Couple : Couple : T = K × ϕ × ID’où : T × Ω = E × I

Les relations

MCC TS

CôtCôtéé éélectrique :lectrique :

CôtCôtéé mméécanique :canique :

J×dtΩ(t)d

= T(t)T(t) = TM(t) - TR(t)

ΩJ T

U

IL R

EU

Iu(t) =

e(t) + R.i(t) + L dti(t)d

Les relations

MCC TS

En régime permanent :

dtd = 0

Les relations

MCC TS

RUconstant

I

EU = E + R.I

CôtCôtéé mméécanique :canique :

J×dtΩ(t)d

= 0 = T(t)TM(t) = TR(t)

Ωconstant

J T

CôtCôtéé éélectrique :lectrique :

L’excitation

MCC TS

Soit à aimant permanentN SFlux constant :

K × ϕ = Kϕ E = Kϕ × Ω T = Kϕ × I

Soit à excitation indépendante :Flux constant si Ie constant :K × ϕ = Kϕ E = Kϕ × Ω T = Kϕ × I

Soit à excitation série :

U

R

E

r

Inducteur

Induit

I

U = (r + R) I + E

E = K × ϕ(I) × Ω

T = K × ϕ (I) × I

R.I²

Pje

EI

Pm et Pf

Pu

TS

Bilan de puissance

MCC

U.IInduit

Ue.IeInducteur

EIPuissance

électromagnétique utile

Tu.ΩPuissance

utile

Puissance àfournir η = Pfournie

Putile = UIPje +Ω.Tu

I0

Ω0 A videA vide

TS

Caractéristiques

MCC

In

Ωn En chargeEn charge

Ω

IΩ = f(I)

Td

Au dAu déémarragemarrage

Point de fonctionnementPoint de fonctionnement

Ω0

Tr,constant

Ωp

TpΩ

T

Charge

MoteurT = f(Ω)

Pour le fonctionnement nominal(en charge nominale) :• La tension nominale d’alimentation• La vitesse nominale Ωn• Le couple nominal • Le courant nominal

Pour un fonctionnement à vide :• Le courant à vide • La vitesse à vide

Pour le démarrage :• Le couple minimal de démarrage• Le courant maximal supportable

Ils précisent aussi :• La résistance d’induit• La valeur de l’inductance d’induit• Le moment d’inertie du rotor• La constante de couple (Kϕ)

TS

Exemple de MCC

2

2722

5,6

Type de Moteur MK72 320 MK72 360Tension nominale 5,5 V 7,5 VVitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mnVitesse en charge nom. 2400 tr/mn 2400 tr/mnCouple de démarrage min. 4,1 mNm 4,4 mNmCouple minimal 1 mNm 1,3 mNmCourant à vide maximal 34 mA 27 mACourant en charge 71à 100 mA 69 à 98 mATension induite (fem/tr/mn)(mV/tr/mn)

1,53 à 1,98 1,91 à 2,45

Résistance du rotor 16 Ω 25,6 ΩInductance du rotor 16 mH 27 mHMoment d’inertie 9 gcm2 9 gcm2

Constante de tempsmécanique

34 ms 34 ms

Force radiale max. 2,5 N 2,5 NTension maximale 8 V 14 VCouple maximale 2 mNm 2 mNmCourant maximal 150 mA 120 mAVitesse maximale 4200 tr/mn 4200 tr/mn

MCC

Ω0ΩN

Ω0 TS

Exemple de MCC

L REU

Ω

I

Tr,

Ωp Ω

T

I

I0 IN

TpJ

MCC

Type de Moteur MK72 320 MK72 360Tension nominale 5,5 V 7,5 VVitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mnVitesse en charge nom. 2400 tr/mn 2400 tr/mnCouple de démarrage min. 4,1 mNm 4,4 mNmCouple minimal 1 mNm 1,3 mNmCourant à vide maximal 34 mA 27 mACourant en charge 71à 100 mA 69 à 98 mATension induite (fem/tr/mn)(mV/tr/mn)

1,53 à 1,98 1,91 à 2,45

Résistance du rotor 16 Ω 25,6 ΩInductance du rotor 16 mH 27 mHMoment d’inertie 9 gcm2 9 gcm2

Constante de tempsmécanique

34 ms 34 ms

Force radiale max. 2,5 N 2,5 NTension maximale 8 V 14 VCouple maximale 2 mNm 2 mNmCourant maximal 150 mA 120 mAVitesse maximale 4200 tr/mn 4200 tr/mn

TS

Moteur / Génératrice

MCC

T = Kϕ.IT > 0

T = Kϕ.IT < 0

Ω = Kϕ.EΩ > 0

Ω = Kϕ.EΩ < 0

Quadrant 1 :Fonctionnement moteur

Quadrant 3 :Fonctionnement

moteur

Quadrant 4 :Fonctionnement

génératrice

Quadrant 2 :Fonctionnement génératrice

U> 0

I

U> 0

I

U< 0

U< 0

I

I

TS

Commande

MCC

M

ValimIdIdééee SolutionSolution

M

Valim

RbVe

TS

Commande

MCC

M

Valim

Rb

VeVce

IM

100 V

Ve

IM

Vce

t

t

t

TS

Commande

MCC

SolutionSolution

M

Valim

Rb

Ve

VeVce

IM

Id

Id

t

t

t

t

IM

Vce

TS

Commande

MCC

M

Valim

Rb

Ve

UM

t

UM

Ve

Tt0

Valim - VCEsat

VF

TS

Commande

MCC

Valim

Rb

Ve

UM

t

VM

E = <UM> + <UR> + <UL>

Ve

Tt0

E ≈ <UM>E = Valim.t0 / T E = Valim.α

Valim

On peut faire donc faire varier la vitesse du moteur (Ω = E/ Kϕ ) enfaisant varier le rapport cyclique

E

UM M

TS

Commande

MCC

Ve t

t

tIC

Vce

Valim

Rb

Ve

M

IC

Vce

!Vérifier

Puissance,Température

TS

Commande

MCC

Commentinverser le

sens derotation ?

Valim

Rb

Ve

IC

Vce

Tourner le

moteur !MM

MM

Problème : Obligation de modifier le montage

TS

Commande par pont

MCC

T = Kϕ.IT > 0

T = Kϕ.IT < 0

Ω = Kϕ.EΩ > 0

Ω = Kϕ.EΩ < 0

Quadrant 1 :Fonctionnement moteur

Quadrant 3 :Fonctionnement

moteur

E

I

E

I

Vcc

M

UM

I

TS

Commande par pont

MCC

T = Kϕ.IT > 0

T = Kϕ.IT < 0

Ω = Kϕ.EΩ > 0

Ω = Kϕ.EΩ < 0

Quadrant 1 :Fonctionnement moteur

Quadrant 3 :Fonctionnement

moteur

E

I

E

I

Vcc

M

UM

I

TS

Commande par pont

MCC

T = Kϕ.IT > 0

T = Kϕ.IT < 0

Ω = Kϕ.EΩ > 0

Ω = Kϕ.EΩ < 0

Quadrant 1 :Fonctionnement moteur

Quadrant 3 :Fonctionnement

moteur

E

I

E

I

Vcc

M

TS

Commande par pont

MCC

Vcc

M

Réalisation

UM

I

TS

Commande par pont

MCC

Vcc

M

UM

I

TS

Commande par pont

MCC

Vcc

M

TS

Commande par pont

MCC

Vcc

M

Rm.IM

Mesure du courant :

Mesurede

courant

Mesurede

courant

Rm.IM

IM

Comparaison

Rm.IM > Umax ?

Comparaison

Rm.IM > Umax ?

Rm.IM Umax

Mise à l’arrêt dumoteur

si Rm.IM > Umax

Mise à l’arrêt dumoteur

si Rm.IM > Umax

TS

Commande par pont

MCC

_

+

_

+_

+

_

+

Ref.

CO1,5 nF

RO15 kΩ

VR=8V

Rs1 Rs2

T1

T2

T3

T4

Comp.ALI 1ALI 2

OTAL 292

Ve

VccC

47 nFR

22 kΩ

6

7 9 5 3 2 14

115

11 10 8

Oscill.

M

Composant decommande

Synthèse:

Machine à Courant Continu : MCCMCC

Inducteur Deux types d ’excitation sont utilisées, soit :

- à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution.

- à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l ’excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliairesaméliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit.

Vue en coupe

Boîte à bornes

VentilateurInduit bobiné Inducteur

Balais

Collecteur

Pour imprimer

Inducteur Deux types d ’excitation sont utilisées, soit :

- à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution.

- à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l ’excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliairesaméliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit.

Induit bobiné

Les bobines de l ’induit sont logées dans des encoches fermées par des cales. Un frettage assure la tenue aux efforts centrifuges.

Les bobines sont brasées aux lames du collecteur et mises en série. On note l ’importance des têtes de bobines et du collecteur ( partie inactive )sur la longueur de la machine.

Le champ inducteur vu par l’induit au cours d’un tour est variable. Il faudra feuilleter le rotor afin de réduire les pertes fer de l’induit.

Il est donc constitué de tôles circulaires isolées et empilées sur l’arbre de façon à obtenir le cylindre d’induit. Ces tôles sont en acier au silicium et isolées par vernis.

BalaisLes balais assurent la liaison électrique ( contact

glissant ) entre la partie fixe et la partie tournante. Pour des machines de forte puissance, la mise en parallèle des balais est alors nécessaire.

Pour des raisons d’économie, ils doivent avoir une durée de vie aussi longue que possible et assurer un bon contact électrique. Différentes technologies existent : les balais au charbon dur, les graphitiques, les électro-graphitiques, et les métallo-graphitiques. On peut considérer que dans un contact glissant les pertes sont de nature mécanique à 35% et de nature électrique à 65%.

Collecteur

Le collecteur a pour fonction d’assurer la commutation du courant d’alimentation dans les conducteurs de l’induit.

Il est essentiellement constitué par une juxtaposition cylindrique de lames de cuivre séparées par des lames isolantes. Chaque lame est reliée électriquement au bobinage induit.

Le collecteur est le constituant critique des machines à courant continu car ses lames sont soumises aux efforts centrifuge et assemblées manuellement.

Son usure consécutive du frottement des balais nécessite un démontage et un ré-usinage périodiques.

De plus, il accroît de 20 à 30% la longueur totale de la machine.

Pour archiver….

Sur cette vue écorchée, on peut aisément voir :

• L’induit (1) avec ses encoches recevant les conducteurs en cuivre(absents ici) perforés axialement pour son refroidissement.

• Le collecteur (2) et l’ensemble porte-balais/balais (3) ainsi que la trappe de visite pour la maintenance (4).

• Les pôles inducteurs feuilletés (5) vissés sur l’induit.• La moto ventilation (6).• Le système de fixation par pattes (7).

6

5

1

7

2

3

4

Equations de fonctionnement

RR LR L Ei

U

R L E

EdtdiLRiU ++=

E=k…

Mi

Uie

CeΩ

Cr

J

Mi

Uie

CemΩ

Mi

Uie

Cem= k…

Cem= k i…

Cem= k i Φe

dtdJCrCem Ω=−

E=k Ω …

E=k ΩΦe

Attention! Les séquences qui suivent sont sonorisées.

Equations de fonctionnementEn résumé:

i

Uie

CeΩ

Cr

J

RLE

Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont :

1°)

2°) E=k ΩΦe

3°) Cem= k i Φe

4°)

EdtdiLRiU ++=

dtdJCrCem Ω=−

Caractéristiques électro-mécaniquesDans un problème de motorisation, la charge entraînée impose au moteur de développer un couple

électromagnétique Cem et une vitesse Ω adaptés aux nécessités de fonctionnement.

Il est donc nécessaire pour un moteur donné, de définir l’ensemble des points de fonctionnement atteignables.

CemIkCem Φ=

Ω

Φ−=Ω k

RIU

KICem =

CemKR

KU 2−=Ω

Avec K= k Φnominal

Dans la pratique, on maximise le couple Cem par ampère en donnant au flux d’excitation sa valeur nominale, soit Φ= Φnominal.

Caractéristiques électro-mécaniquesCem

Ω

In

-In

Cem=KInUn-Un

Un domaine fermé définit l’ensemble des couples ( Cem, Ω ) possibles pour une machine donnée.

Ω−= RK

nURKCem

2

Question :

Quelle est la nature du fonctionnement correspondant aux quatre points d’intersection des droites limites ?

Un

Excitation des MCC