FC Machines Chp.4 Machines CC

92
Prof. Mourad ZEGRARI

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Prof. Mourad ZEGRARI

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Courant Continu

Plan

Principe.

Constitution.

Production de la f.é.m. ; Bobinage.

Génératrice à courant continu.

Moteur à courant continu : caractéristiques électromécaniques.

Variation de la vitesse des Moteurs CC.

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Courant Continu

Plan

Principe

Constitution

BobinageProduction de la f.é.m.

Génératrice à Courant Continu

Variation de la vitesse des Moteurs CC

B

C

D

F

A

E Moteurs à Courant Continu

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Courant Continu

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

Energie Electrique

Energie Mécanique

Moteur

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Courant Continu

Utilisation des Machines CC

Fonctionnement en Moteur

Motorisation à vitesse variable (puissances jusqu’à plusieurs MW, vitesse < 4000 tr/min)

Moteurs CC à aimants permanents alimenté par des batteries

(Outillage, accessoires automobile, mécatronique)

Servomoteurs (Positionnement, robotique, machines-outisl)

Moteurs CC pour traction électrique (Navires, trains, manutention, petits véhicules)

Entraînements industriels (Métallurgie, laminoirs)

Fonctionnement en Génératrice

Limité au freinage par récupération.

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Courant Continu

Applications industrielles

Motorisation à faible puissance

Moteurs CC à aimants permanents alimentés par des batteries :

Robotique, mécatronique :Outillage portableAccessoires automobile

Servomoteurs Positionneurs

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Courant Continu

Applications industrielles

Motorisation à forte puissance

Traction électrique :

Entraînements industriels

Métallurgie

Moteurs pour traction Ascenseurs (mines)

Laminoir 13 MW - 80 tr/min

Moteurs pour bateaux

Laminoirs

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Courant Continu

Applications spatiales

Mars Rovers - NASA

46 Moteurs CC sans fer :

16 moteurs : systèmes rétraction à airbag sur système "aMarsissage“.

4 moteurs : deplier le panneau solaire.

4 moteurs : deplier le robot et les roues.

6 moteurs : traction des six roues

5 moteurs : conduite et direction.

7 moteurs : bra robotique (abrasion des roches, perçage10.000 tr/min, 2 spectromètres, caméra-microscope).

1 moteur : spectromètre infarouge.

3 moteurs : caméras.

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Courant Continu

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

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Courant Continu

Éléments de base

Exemple : Machine Bipolaire

A

B

X

Y

Rotor : Induit

Balais

Collecteur

Lames

AB : Spire de l’induit

Stator : Inducteur

Flux créé par l’inducteur

N Sφe

Ω

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Courant Continu

Génératrice CC : Principe

Une spire conductrice AB est placée dans un champ magnétique d’induction B fixe.

On entraîne la spire en rotation à une vitesse constante Ω.

Création d’une force électromotrice induite eAB alternative : eAB(t) = Em sin(Ωt) Tension entre balais VXY unidirectionnelle (redressée) : VXY = eAB(t)

N

S

eAB

t

Ligne neutre

t

VXY = eAB VXY = - eAB

B

A

N S

Ω

A

B

N S

Ω

VXY

X Y

Loi de Faraday

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Courant Continu

Génératrice CC : Collecteur en Redresseur

Mode Génératrice : le collecteur fonctionne comme redresseur de tension.

t

Ligne neutreLe collecteur permet de redresser la tension VXYentre balais :

VXY = eAB(t)

eAB

N S

Ω

A

BX Y

N S

Ω

A

B

X Y

N S

Ω

B

A

X Y

VX = VA ; VY = VB

VXY = eAB > 0Ligne neutreVXY = eAB = 0

VX = VB ; VY = VA

VXY = - eAB > 0

t

Ligne neutreVXY

VXY = eAB VXY = - eAB

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Courant Continu

Moteur CC : Principe

Une spire conductrice AB est placée dans un champ magnétique d’induction B fixe.

On fait parcourir la spire par un courant constant a.

Chaque conducteur de la spire subit une force magnétique F.

Les forces F1 et F2 appliquées de chaque côté font tourner la spire.

BAN S

Ω

Be

F1

F2

Va FLoi de

Laplace

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Courant Continu

Moteur CC : Production du couple

La spire AB est alimentée par un courant continu a à travers le collecteur.

Les forces appliquées de chaque coté ont toujours le même sens.

Le couple électromagnétique créé Tem a toujours le même signe. Le courant dans l’armature a change de signe dans un conducteur lorsque celui-ci

franchit la ligne neutre.

B

X Y

A

N S

Ω

Be

F1

F2

Be

Tem

B

X Y

A

N S

Ω

BeF1

Be

Tem

F2

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Courant Continu

Plan

Principe

Constitution

BobinageProduction de la f.é.m.

Génératrice à Courant Continu

Variation de la vitesse des Moteurs CC

B

C

D

F

A

E Moteurs à Courant Continu

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Courant Continu

Structure générale

Une machine à courant continu comporte les éléments suivants :

Un système inducteur :

Formé d’un aimant permanent ou d’un électro-aimant bobiné sur une pièce polaire, il permet de produire une f.m.m. constante.

Un système induit :

Constitué par un enroulement mobile placé dans un rotor et dans lequel apparaissent des forces électromotrices induites alternatives.

Un collecteur :

Dispositif permettant le redressement mécanique de la tension induite alternative créée dans l’enroulement induit.

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Courant Continu

Boîte à bornes

VentilateurInduit bobiné Inducteur

Balais

Collecteur

Vue en coupe de la MCC

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Courant Continu

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

φe

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Courant Continu

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 bobiné sur les pièces polaires et parcouru par un courant d’excitation e réglable afin de modifier le flux inducteur φe. Pour les machines de fortes puissances, on place des pôles auxiliairespour améliorer la commutation du courant dans les conducteurs de l’induit.

Le flux d’excitation φe peut être créé par :

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Courant Continu

Enroulement inducteur

Le courant d’excitation e peut être fourni par :

Une source extérieure indépendante : Excitation séparée.

L’enroulement induit, le montage du circuit inducteur se fait :

• En parallèle avec l’induit : Excitation Shunt.e faible Re et ne élevés : Fe = ne.eL’enroulement parallèle est réalisé en fil de cuivre de section faible.

• En série avec l’induit : Excitation Série.e = a élevé Ra et na faibles : Fe = na.aL’enroulement série est réalisé en fil de cuivre de section élevée.

• Combinaison de deux enroulements : Excitation composée.- Un enroulement en parallèle, ne spires parcourues par e.- Un enroulement en série, na spires parcourues par a.La f.m.m. résultante s’écrit : Fe = ne.e ± na.a

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Courant Continu

Montage des enroulements inducteurs

Excitation Séparée / ShuntN SExcitation

à aimant

e

a

Excitation Série

e

a

Excitation Composée (compound)

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Courant Continu

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

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Courant Continu

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

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Courant Continu

Rotor : Circuit induit

Lames du collecteur

Collecteur

Circuit électrique

Circuit magnétique

Capot de ventilation

Arbre

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Courant Continu

Le circuit magnétique de l’induit est constitué de tôles circulaires en acier au silicium, isolées par vernis et empilées sur l’arbre de façon à obtenir le cylindre d’induit.

Le champ inducteur vu par l’induit au cours d’un tour étant variable, le circuit du rotor doit être feuilleté afin de réduire les pertes magnétiques dans l’induit.

Tôles isolées à 3,5% de silicium, épaisseur 0,35 mm.

Des pertes de 3 W/kg pour une induction de 1T.

Induit : Circuit magnétique

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Courant Continu

Lame du collecteur

1 faisceau =x brins

1 Section := 2 faisceaux= x spires

Têtes de bobinage(chignons)

Induit : Circuit électrique

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

Les encoches peuvent être inclinées d’un pas, ceci afin de diminuer les oscillations de tension et de couple introduites par la modulation de la largeur d’entrefer.

Les sections sont brasées aux lames du collecteur et mises en série.

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Courant Continu

yc

y2

y1

Bobinage imbriquéyc

y2y1

Bobinage onduléyc = pas au collecteur ; y1 = pas de bobine ou pas arrière ; y2 = pas avant

Le choix des bobinages dépend des courants et tensions appliquées :

Bobinage imbriqué : Forte intensité, faible tension

Bobinage ondulé : Faible intensité, forte tension

Induit : Bobinage du circuit électrique

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Courant Continu

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

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Courant Continu

Les balais doivent avoir une durée de vie aussi longue que possible et assurer un bon contact électrique.

On estime les pertes dans les machines tournantes :

Pertes de nature mécanique à 35% ;

Pertes de nature électrique à 65%

Balais

Les 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 (multiplication des voies des enroulements).

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Courant Continu

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

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Courant Continu

L’induit (1) avec ses encoches perforées 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) ainsi que le système de fixation par pattes (7).

65

1

7

2

3

4

Machine CC : Vue détaillée

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Courant Continu

On fixe un ventilateur qui fonctionne indépendamment de la machine. La circulation d’air dans l’entrefer est ainsi forcée.

Excepté : robotique, équipement automobile, petite puissance.

Refroidissement

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Courant Continu

Plan

Principe

Constitution

BobinageProduction de la f.é.m.

Génératrice à Courant Continu

Variation de la vitesse des Moteurs CC

B

C

D

F

A

E Moteurs à Courant Continu

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Courant Continu

Production de la f.é.m. : induit à une spire

On considère une structure bipolaire, comportant une spire entraînée à la vitesse Ω.La disposition de la spire dans l’entrefer est repérée par l’angle θ = Ωt.

Flux engendré de la forme : φ(t) = φm cosθ = φm cos(Ωt) Création d’une f.é.m. : eAB(t) = es(t) = φm Ω sin(Ωt) Tension redressée : e(t) = es(t)

A

B

N S

Ω

X Y

n : normale à la spire

BS

Ω

N Axe polaire

es

θ = ωtπ 2π

φφ es

t

e

Ωπ

Ωπ

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Courant Continu

Production de la f.é.m. : induit à deux spires

Associons deux spires identiques placées dans deux encoches diamétralement opposées.Les conducteurs parcourus pour aller d’un balais à l’autre constitue une voie d’enroulement.

L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune d’une spire. A chaque instant, les f.é.m. induites dans les enroulements sont égales : e1 = e’1 = e

Ω

N S

A

B

e1 e’1 e

θ

e

Ωπφ

=

Tension moyenne :

Forme unidirectionnelle périodique de (T/2) mais fortement ondulée.

π 2π

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Courant Continu

Production de la f.é.m. : induit à quatre spires

Associons quatre spires identiques placées dans quatre encoches décalées de 90°.Ces spires sont connectées comme le montre la figure suivante :

L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune de deux spires. Chaque voie regroupe deux spires dont les f.é.m. sont déphasées de (π/2) entre elles.

Ω

N S

A

B

e1

e’2e

Tension résultante périodique de (T/4).

Ondulations diminuées par augmentation du nombre de spires en série.

C

D

e2

e’1

θ

e

π ππ

π0

e1 e2

e

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Courant Continu

Production de la f.é.m. : induit à plusieurs spires

Associons Z conducteurs afin de former Zs = (Z / 2) spires.Les sections des spires sont logées dans des paires d’encoches diamétralement opposées.

L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune de (Zs / 2) spires.

La f.é.m. totale e pour chaque voie est :

Ω

N e

Les tensions ei ont la même amplitude : ei = φΩ

La f.é.m. résultante est assimilable à un demi-cercle de diamètre E.

S

e1

e2

ek

e’1e’2

e’k

e1e1

e1

ek

e Ωφπ

=

===

=

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Courant Continu

Réalisation du bobinage

Collecteur mobile

Lames de cuivre isolées

Balais fixes

Pôles inducteurs fixes

SN

Encochage de l’induit

π

π

Section de l’induit

Bobine élémentaire àplusieurs spires.

Pas diamétral.

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Courant Continu

Expression de la f.é.m. : Machine bipolaire

N S

e

E

t

La multiplication des spires permet d’augmenter la valeur de la f.é.m. produite et de réduire ses ondulations.

On considère une rotor à Ne encoches avec un conducteur par encoche. La f.é.m. E s’écrit :

Pour un déplacement d’un pas d’encoche (1/Ne tour) :

La f.é.m. devient :

Sachant que l’on dispose d’un conducteur par encoche :

∆φ∆=

φ=φ∆

Ωπ=∆et

Ωφ

π=

Ωφ

π=

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Courant Continu

Expression généralisée de la f.é.m.

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

: Force électromotrice à vide (V)

= 2π × 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.

φe : Flux inducteur (Wb)

Ω : Vitesse de rotation (rad / s)

Ωφ=Ωφπ

=

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Courant Continu

Plan

Principe

Constitution

BobinageProduction de la f.é.m.

Génératrice à Courant Continu

Variation de la vitesse des Moteurs CC

B

C

D

F

A

E Moteurs à Courant Continu

Page 42: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 42Machines à

Courant Continu

Génératrice CC : Excitation séparée

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

La valeur moyenne de la f.é.m. redressée par le système balais-collecteur s’écrit :

Ve GCCSource Externe

Va

e aφe

Inducteur(Stator)

Induit(Rotor)

Ωφ=Ωφπ

=

ne

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Courant Continu

Caractéristique à vide linéaire

On suppose que la saturation n’est pas atteinte.

On néglige également le flux rémanent φr.

La caractéristique magnétique du flux est linéaire :

φ

La caractéristique à vide est linéaire :

φ Ω Ω

À vitesse constante, la caractéristique à vide devient :

Ω

Er

Ev

Caractéristique àvide réelle

Ev = Van

Caractéristique à vide linéaire :

O

A

Page 44: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

Fonctionnement en charge

La génératrice débite un courant dans une charge.

Superposition de deux force magnétomotrices :

Force magnétomotrice de l’inducteur : Fe (ne : nombre de spires de l’inducteur)

Force magnétomotrice de l’induit : Fa (k : coefficient de la machine)

F.m.m. F résultante : F = Fe + Fa

Flux φ résultant : φ φ φ

Phénomène :

Réaction Magnétique de l’Induit.

Conséquence :

Atténuation du flux utile.

Page 45: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

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 :

Ωφ=Ωφ

π=

!" −−−=

VaVe

Source Externe

e aφe

Modèle de l’Induit

RaLa

E

Force électromotrice en charge due au flux résultant : φ = φe + φa

: 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

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Courant Continu

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

Page 47: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

RôleCes pôles sont destinés à produire un flux φc opposé au flux φa créé par les conducteurs de l’induit (RMI).

MontageLe bobinage de ces pôles (C1-C2) est réalisé dans les épanouissements polaires, ils sont connectés en série avec l’enroulement induit.

Retour

Cette solution convient uniquement pour les inducteurs bobinés.

Pôles de Compensation

Ωa

a a

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Courant Continu

Rôle

Limiter les effets de la RMI.Ces enroulements stabilisent le flux dans la machine en produisant un flux opposé à celui de la RMI.

Montage

Les enroulements de stabilisation (S1-S2) sont montés sur les pôles inducteurs.

Retour

Enroulements de Stabilisation

φs

N φeEnroulement

Inducteur

Enroulement de

Stabilisation

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Courant Continu

MontageIls sont câblés aux bornes (B1-B2) en série avec l’induit. Leur emplacement est perpendiculaire à l’axe de l’inducteur.

RôleIls limitent la production d’étincelles entre le collecteur et les balais par annulation du courant dans la section où le courant induit a s’inverse

Pour des machines de petite puissance (1 à 10 kW), on utilise cet enroulement pour faire la compensation de la RMI.

Retour

Pôles auxiliaires : Commutation

N S

aa

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Courant Continu

Vue générale STATOR

ROTOR

Inducteur E1-E2

Stabilisation S1-S2Collecteur

Porte balai

Pôles Auxiliairesde Commutation B1-B2

Compensation C1-C2

Bobinage Induit A1-A2

Refroidissement

Présentation des différents enroulements

N S

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Courant Continu

Expression de la tension de sortie

La tensions Va aux bornes de l’induit s’écrit :

En général, nous pouvons adopter les hypothèses suivante :

La chute de tension eb dans les balais est négligeable devant les tensions de service. En régime permanent, le courant induit a est quasiment constant ! # ≈ $ La réaction magnétique de l’induit entraîne une diminution de la f.é.m. en charge E :

% &

L’expression de la tension Va devient :

!" −−−=

& " −−=−=VaVe

e aφeRa

ERe

" =

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Courant Continu

La tension Va s’écrit : " % & %

La chute de tension est : ∆" % " &

Caractéristique de sortie

Va (V)

a (A)0

∆Va

Van

EvRaa

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Courant Continu

Couple électromagnétique

La puissance électrique de sortie ' est :

' " % ' % (

La puissance électromagnétique ' s’écrit :

' )Ω

Le couple électromagnétique est :

Si le circuit magnétique est supposé linéaire :

'

) φ≈φ=Ω

= (en négligeant la RMI)

( ) ) =φ=

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Courant Continu

Génératrice CC : Excitation Shunt

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

Courant G fourni par la génératrice : * ≈

Tension Va aux bornes de l’induit : " %

Force électromotrice en charge : φΩ

Va

e a

Ra

E

Re

G

GCC

e a

Inducteur(Stator)

Induit(Rotor)

Ve

G

VaSchéma électriquene

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Courant Continu

Génératrice Shunt : Amorçage

La f.é.m. rémanente Er permet d’alimenter le circuit inducteur par un courant e.

Création d’un flux inducteur qui augmente la f.é.m. E Amorçage de la génératrice.

+ )

Rh : Rhéostat de champ.

Le point de fonctionnement converge vers A qui est un point d’équilibre stable.

Va

e a = 0

Ra

ERe

G = eRh

Er

Ev

Ev = Van

O

AEv (e)

RT (e)

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Courant Continu

La tension Va s’écrit : " % +

En charge, si le courant a augmente :

(Raa) augmente Va diminue.

e (donc φe) diminue Ev diminue.

Chute de tension plus importanteque celle à excitation séparée.

(10 à 20% au point nominal)

Du fait de la diminution de eLa génératrice shunt “s’auto-limite“ en court-circuit :

Génératrice Shunt : Caractéristique de sortie

Va (V)

a (A)0

∆Va

Van

Ev

Séparée

Shunt

,

-

=

Page 57: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 57Machines à

Courant Continu

Génératrice CC : Excitation Série

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

Tension Va aux bornes de l’induit : " % +

Force électromotrice en charge : φΩ Ω (saturation négligée)

Couple électromagnétique :

GCC

a

Génératrice Série

VaSchéma électrique

Charge

Va

e=a a

Ra

E

Rch

Rs

'

) ≈φ=Ω

=

ns

Page 58: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

Particularités :

À vide, la génératrice ne développe que sa tension rémanente Er.

L’amorçage de la génératrice dépend de la résistance de charge :(Ra+Rs) + Rch < Rc : Résistance critique définie comme pour la génératrice shunt.

Caractéristiques : Chute de tension très importante.

Caractéristique particulièrement instable(type de génératrice très peu utiliséesauf pour le freinage du moteur cc série)

Point de fonctionnement M tel que : Van = Rch.an

Couple électromagnétique :

Génératrice Série : Caractéristique de sortie

a

Er

Va

Van

O an

Ev (e)

Pente critique Rc

∆V

Va (a)M

'

) ≈φ=Ω

=

Page 59: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

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

e a

Montage “courte dérivation"

G

Va

S1E1

E2

S2

GCC

e a

Montage “longue dérivation"

G

Va

S1

E1

E2

S2

ne ne

ns

ns

Page 60: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

Génératrice Compound : Caractéristiques

Le circuit électrique équivalent est le suivant (courte dérivation) :

Courant a fourni à la charge : * %

Tension Va de sortie : " % *%

" %

Force électromotrice E : φΩ

Couple électromagnétique : ) φ*

Va

e a

Ra

E

Re

G

Rs

Page 61: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

La caractéristique en charge dépend de la nature du couplage des enroulements.

On définit le coefficient d’équivalence α par le rapport du nombre de spires :

Force magnétomotrice de l’excitation :

Génératrice Compound : Caractéristique de sortie

Ev

( ) . / =α±=

On distingue :

Machine “à flux additif“ :

On compense la diminution du courant e et les chutes de tension en charge.

Machine “à flux soustractif“ :

On accentue la chute de tension pour obtenir une source de courant.

Va

a0

Compensé

Soustractive,

Additif

ns : nombre de spires de l’enroulement série.

ne : nombre de spires de l’enroulement shunt.

Page 62: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 62Machines à

Courant Continu

On présente les caractéristiques de sortie Va (a) des quatre types de génératrices àcourant continu :

Génératrice CC : Synthèse

Va

a0

Van

Ev

Séparée

Shunt

Additif

Soustractif

Page 63: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 63Machines à

Courant Continu

Génératrice CC : Bilan des puissances

PuissanceÉlectromagnétique

PuissanceMécanique

PertesConstantes

Pertes Fer(Magnétiques)

PertesMécaniques

PertesJoules

PuissanceÉlectrique

' )Ω

0-1 ' )Ω

' "( ( (

Page 64: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 64Machines à

Courant Continu

Génératrice CC : Rendement

Le rendement de la génératrice à courant continu s’écrit :

(0-1

"

"

-'

'

'

'

+++=

+==η

Pe0

ηn

PenPen/2

ηmax

η %

50

100 Le rendement est généralement

maximal pour la moitié de la puissance nominale.

À la puissance nominale Pen, le niveau de rendement reste très satisfaisant.

Page 65: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 65Machines à

Courant Continu

Plan

Principe

Constitution

BobinageProduction de la f.é.m.

Génératrice à Courant Continu

Variation de la vitesse des Moteurs CC

B

C

D

F

A

E Moteurs à Courant Continu

Page 66: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 66Machines à

Courant Continu

Moteurs CC : Champs d’applications

Intérêt

Procédé de variation de la vitesse simple à mettre en œuvre.

Commande linéaire du couple électromagnétique.

Utilisation

Petits moteurs à aimants permanents dans les servomécanismes. Puissance limitée àquelques watts.

Moteurs à excitation séparée de moyenne puissance (1 à 300 kW). Utilisés dans les machines outils et les engins de levage.

Moteurs à excitation série de forte puissance (jusqu’à 10 MW). Utilisés dans les locomotives, les navires et les laminoirs.

Page 67: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 67Machines à

Courant Continu

Moteur CC : Principe

On alimente l’induit par un source continue Va.Le courant induit a se répartit également dans les voies d’enroulements.

Le sens de a 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 Ω.

N S

Ω

Be

F1

F2

Be

Tem

Va

A

B

Page 68: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

Moteur CC : Excitation séparée

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

Tension aux bornes de l’induit : "

Force contre électromotrice en charge :

Tension aux bornes de l’inducteur : "

Ωφ=Ωφπ

=

VeMCC Va

e φe

Inducteur Induit

a

Ve Va

e a

Re

Ra

Ene

Page 69: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 69Machines à

Courant Continu

Moteur Séparé : Caractéristique de couple

Mise en équation :

Le bilan des puissances dans l’induit s’écrit :" 2 ⇔ ' ' (

Couple électromagnétique délivré par le moteur :

Comportement en charge :

Zone Linéaire OA :

Le flux φ est constant (RMI compensée). Tem proportionnelle à .

Coude de la courbe AB :

Diminution du flux suite à la RMI.

Pente de la caractéristique modifiée.

'

) φ=Ω

=

O an

AB

Effet de la RMI

Tem

a

Temn

Page 70: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 70Machines à

Courant Continu

Moteur Séparé : Caractéristique de vitesse

Mise en équation

La force contre électromotrice du moteur :" % φ Ω

L’expression de la vitesse est :

Comportement en charge :

Chute de tension ohmique augmente. Terme (" % ) diminue.

Réduction du flux φ à cause de la RMI. Terme (φ) diminue aussi.

Conséquence :

Faible chute de vitesse (< 10%)

φ−

"

0

∆ΩΩn

Ω

an

Ωv

a

Page 71: FC Machines Chp.4 Machines CC

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Courant Continu

Moteur Séparé : Caractéristique mécanique

Mise en équation :

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

Le Couple électromagnétique peut s’écrire :

Comportement en charge :

Évolution linéaire à forte pente :

(légère chute de la vitesse).

Caractéristique utile similaire à celle

d’un moteur asynchrone à cage.

'

) φ=Ω

=

Ωn

Temn

φ−

"

( ) ( ) Ωφ−φ

=

")

Vitesse à vide

( )

φ−

Tem

ΩΩv

Page 72: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 72Machines à

Courant Continu

Moteur CC : Excitation Shunt

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

Tension aux bornes de l’induit : " ≈

Force contre électromotrice en charge :

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

Ωφ=Ωφπ

=

Schéma électrique

MCC Va

e

Inducteur Induit

am

Va

e a

Re

Ra

E

m

ne

Page 73: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 73Machines à

Courant Continu

Moteur CC : Excitation Série

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

Tension Va aux bornes de l’induit : " ≈

Force contre électromotrice en charge : φΩ Ω (saturation négligée)

Schéma électrique Va

a

Ra

E

Rs

MCC

a

Moteur Série

Va

ns

Page 74: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 74Machines à

Courant Continu

Moteur Série : Caractéristique de couple

Mise en équation :

Couple électromagnétique délivré par le moteur :

Si on néglige la saturation et la RMI :φ ≈ φ ≈

L’expression du couple devient :

Comportement en charge :

Consommation d’énergie optimisée.comparée aux autres configurations.

Démarrage : d élevé Temd élevéApplication : traction électrique.

'

) φ=Ω

=

aan

Temn

( )

) =φ=

0

Tem

Page 75: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 75Machines à

Courant Continu

Moteur Série : Caractéristique de vitesse

Mise en équation

La force contre électromotrice du moteur :" % φ Ω

Si on néglige la saturation et la RMI :

φ ≈ φ ≈

L’expression de la vitesse devient :

Comportement en charge :

Contrairement au couple.chute de vitesse importante avec a.

Conséquence :

Fonctionnement à puissance constante

( ) ( )( )

"

" +−=

φ+−

aan

Limite de vitesse admissible

Ωn

0

Ω

Page 76: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 76Machines à

Courant Continu

Moteur Universel

PrincipeMoteur CC série pouvant être alimenté en alternatif.

Couple électromagnétique :

Présentation

Applications Moteur à grande vitesse alimenté en alternatif monophasé (10.000 à 20.000 tr/min)

Systèmes électrodomestiques, Outillages.

M

a

va

> $( ) )

Page 77: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 77Machines à

Courant Continu

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

e a

Montage “courte dérivation"

m

Va

S1E1

E2

S2

ne

ns

a

VaMCC

e

Montage “longue dérivation"

m

S1

E1

E2

S2

ne

ns

Page 78: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 78Machines à

Courant Continu

Moteur Compound : Équations

Le circuit électrique équivalent est le suivant (courte dérivation) :

Courant a d’alimentation :

Tension Va d’alimentation : "

Si on néglige la chute eb : "

Force magnétomotrice : / ± ± α .

Flux d’excitation équivalent : φ. . ± α (saturation négligée)

Force contre électromotrice : ≈ φ.Ω ≈ . Ω (RMI supposée compensée)

Va

e a

Ra

E

Re

m

Rs

Page 79: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 79Machines à

Courant Continu

L’expression du couple électromagnétique est :

Moteur Compound : Caractéristique de couple

( ) ( ). ) −α±=φ=

Comme pour le cas des génératrices :

Moteur “à flux additif“ :

La pente est augmentée. Courbeproche de celle du moteur série (α >>). Consommation optimale.

Moteur “à flux soustractif“ :

La pente est diminuée. Le couple Temvarie lentement avec le courant a. Consommation élevée.

Tem

a0 an

Indépendant

Soustractif

Additif

Temn

Page 80: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 80Machines à

Courant Continu

La vitesse Ω est calculée à partir de l’expression de la f.c.é.m. E :φ. Ω ≈ .Ω

Avec : " %

L’expression de la vitesse est :

Moteur Compound : Caractéristique de vitesse

( )( )

"

α±−+−

Moteur “à flux additif“ :

Chute de vitesse plus importante quecelle d’un moteur shunt (ou séparé).

Moteur “à flux soustractif“ :

La diminution du flux inducteur entraîneune sur-vitesse aux fortes charges.

Ω

a0 an

Indépendant

Soustractif

Additif

Ωv

Page 81: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 81Machines à

Courant Continu

Les expressions du couple et de la vitesse sont :

( ) ( ). ) −α±=φ=

Moteur “à flux additif“ :

Compromis entre moteur série (P = Cte) et moteur shunt (Ω = Cte). Grande stabilité de fonctionnement.

Moteur “à flux soustractif“ :

Carcatéristique instable vis-à-vis des charge entraînées usuelles. Sans intérêt pratique.

( )( )

"

α±−+−

Moteur Compound : Caractéristique mécanique

Tem

Ω0 Ωv

Indépendant/ Shunt

SoustractifAdditif

Temn

Page 82: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 82Machines à

Courant Continu

Moteur CC : Comparaison

Ω

an

Indépendant / Shunt

Soustractif

Additif

Ωv

Série

a

Caractéristiques de vitesse

Le moteur type shunt réalise la meilleure performance en stabilité de vitesse.

Le moteur “à flux additif“ assure une bonnemarge de stabilité (adapté aux charges dontles variations de couple sont importantes).

Temn

Tem

ΩΩv

SoustractifAdditif

Indépendant/ ShuntSérie

Caractéristiques mécaniques

Page 83: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 83Machines à

Courant Continu

Moteur CC : Bilan des puissances

PuissanceÉlectromagnétique

PuissanceÉlectrique

PertesConstantes

Pertes Fer(Magnétiques)

PertesMécaniques

PertesJoules

PuissanceMécanique

' "

0-1 ' )Ω

' )Ω( ( (

Page 84: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 84Machines à

Courant Continu

Moteur CC : Rendement

Le rendement d’un moteur à courant continu s’écrit :

Méthode directe :

On mesure le couple Tm(génératrice balance, capteur).

On calcule la puissance Pm.

Méthode des pertes séparées

On calcule les pertes constantes pc.(à partir de l’essai à vide).

On déduit la puissance mécanique Pm.

( )

(

"

)

'

'

'

' Ω=++

==η

Pe0

ηn

PenPen/2

η %

50

100

Page 85: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 85Machines à

Courant Continu

Plan

Principe

Constitution

BobinageProduction de la f.é.m.

Génératrice à Courant Continu

Variation de la vitesse des Moteurs CC

B

C

D

F

A

E Moteurs à Courant Continu

Page 86: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 86Machines à

Courant Continu

Démarrage des Moteurs CC

Moteur CC à excitation indépendante : " ProblèmeAu démarrage : Ω = 0 E = 0

Ra étant en faible, il faut limiter le courant de démarrage d.Solutions : Augmenter progressivement la tension d’alimentation Va. Ajouter un rhéostat externe de démarrage Rd :

Procédure de démarrage Dimensionner la résistance de démarrage : d = 1.5 à 2 an

Démarrer le moteur à flux maximal (couple de démarrage : ) φ )

"

+=

" =

φ=

) - < < ,

Courant de seuilde démarrage

Courant maximal admissible par le moteur.

Page 87: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 87Machines à

Courant Continu

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(Ω).

Paramètres de variation de la vitesse :

Résistance d’induit : Ra

Flux inducteur : φ

Tension d’alimentation : Va

( )

" " ) )

−Ω= = − = Ω −

φ φ φ

"

Ω =

φ ( )

=

φ )Ω = Ω −

Page 88: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 88Machines à

Courant Continu

Action sur le flux inducteur

Procédure :Varier le courant inducteur e d’excitation.

Mode de variation :

Modification de la vitesse à vide Ωv.

Modification de la pente m de la caractéristique mécanique.

Tr

Tem

Ω

( )

=

φ

"

Ω =

φ

φ1 φ2 φ3

Ωv1 Ωv2

Entraînement à couple résistant constant

Ωv3

Page 89: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 89Machines à

Courant Continu

Action sur la tension d’alimentation

Procédure :

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

Mode de variation :

Vitesse à vide Ωv déplacée.

Pente m de la caractéristique mécanique reste inchangée.

Tr

Tem

ΩΩv1

( )

=

φ

"

Ω =

φ

Va1Va2Va3

Ωv3 Ωv2

Entraînement à couple résistant constant

Page 90: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 90Machines à

Courant Continu

Caractéristiques de vitesse

Caractéristiques mécanique Ω(Tem) Caractéristiques électromécanique Ω(Va)

Courbes paramétrées en tension. Courbes paramétrées en couple.

( )

" ) )

Ω= − = Ω −

φ φ

Tem

Ω

Ωv1

Va1

Va2

Va3

Ωv3

Ωv2

Va

Ω

Àvi

de

Tm1 Tm2 Tm3

Page 91: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 91Machines à

Courant Continu

Modes de variation de la tension

Chargemécanique

RéseauAlternatif

RedresseurÀ Diodes Hacheur MCC

Convertisseur Indirect

Ω

Chargemécanique

RéseauAlternatif

Redresseur CommandéÀ Thyristors

MCC

Convertisseur Direct

Ω

Chargemécanique

RéseauContinu Hacheur Dévolteur MCC

Convertisseur Direct

Ω

Page 92: FC Machines Chp.4 Machines CC

© M. ZEGRARI 92Machines à

Courant Continu

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.