L2EEAMachinesElectriques:EDEAF4HM

L2EEA

2016-2017

Neermalsing Sewraj (sewraj@laplace.univ-tlse.fr)

Laboratoire LAPLACE

Responsable Matière : N. Sewraj / D. Buso

Responsable TP : N. Sewraj

Programme

•  9 h Cours, 9 h TD, 12h TP – 3 ECTS •  1/ Machine à Courant Continu : Régime statique.

•  2/ Transformateur Monophasé. Points de fonctionnement sur charge résistive.

•  3/ Alternateur sur charge résistive.

2

Moteur à courant continu (piles)

Petits outils, appareils électroportatifs sans fil

Moteur à courant continu (batterie, réseau continu)

Traction (train, automobile)

Moteur universel (secteur)

Petit et moyen électroménager (perceuse, aspirateur, machine à laver)

Moteur asynchrone (bi- ou tri-phasés)

Machines outils (ascenseurs, nettoyeurs haute pression, pompes)

Moteur synchrone (triphasé)

Machines outils (nettoyeurs haute pression, pompes)

Moteur pas à pas (commande électronique)

Mécanique de précision (imprimante, lecteur CD, servomoteur)

Moteursélectriques:Applica7ons

3

4

Chapitre 1 :

Machine à Courant Continu Part 1

4

PlanduChapitre1

1.   Généralités

2.   Principesphysiques

3.   Descrip7ondelaMCC

4.   Modèleélectrique

5.   Bilandepuissance

6.   Pointsessen7els

5

1.Généralités1-1:Machineélectrique=machineréversibleMoteur:énergieélectriqueàénergiemécanique ex.:pompe,ascenseur,machineàlaver,perceuse,…

Générateur:énergiemécaniqueàénergieélectrique ex.:alternateurvoiture,génératricecentraleélectrique,…

à CoursuniquementsurlaMachineàCourantCon7nu(MCC)à MCCu7liséeenTP

Exemplesdemachinesélectriques(àinducCon):GénérateuretMoteur

6

1Généralités

1-2:Transferténergé7que:unemachineélectriquepeutfonc7onnerenmoteurougénérateurenfonc7ondel’applica7onoudelaphasedefonc7onnement.

pertes=Pabs–Pu

η=Pu/Pabs

MACHINE

pertes

Puissanceabs.(Pabs) Puissanceu7le(Pu)Mécanique

Fournieparunmoteurouuneturbine

ElectriqueDisponibleauxborne

dubobinage

ElectriqueFournieparlasource

électrique

MécaniqueDisponiblesurl’arbre

dumoteur

Générateur Moteurou

7

1Généralités

La machine à courant continu est totalement réversible

Elle peut fonctionner indifféremment en moteur ou en génératrice

énergieélectrique MOTEUR

énergiemécanique

énergieélectrique

énergiemécanique GENERATRICE

OU Induit (I)

Inducteur (J)

Pertes Electriques et Mécanique

Pertes Electriques et Mécanique

ηMot = PM

PEI + PEJ

Inducteur (J)

Induit en rotation (Ω)

ηGén= PEI

PM + PEJ

Induit (I)

Induit en rotation

Statique Statique

8

2.Principesphysiques

2.1-Fluxmagné7queetforceélectromotriceinduite

θ:angleentrelechampBetlanormaledSàlasurface

SpiredecourantdesurfaceS

B dS

θ(t)

Axe de rotation

ϕ(t) = B × S × cos θ(t)[ ]

9

2.Principesphysiques

Forceélectromotriceinduite: e(t) = − dϕdt

Conversion mécanique/électrique: fonctionnement générateur 10

2.Principesphysiques2.2–ForcedeLaplace

BlidFd

×=

Fd

Fd

B B

courant courant courant

B

0

=Fd

règle des 3 doigts de la main droite : courant – champ - force

11

2.PrincipesphysiquesConversion électrique/mécanique: fonctionnement moteur

courant Impossible d'afficher l'image. Votre

Impossible d'afficher l'image. Votre ordin

Fd

Fd

courant

0

=Fd

0

=Fd

N S

Lecoupleestmaximumpourθ=0°(Leplandelaspireestalorsalignéaveclechampinducteur(B) 12

3.Descrip7ondelaMCC

3.1Cons7tu7ond’uneMCCUneMCCestcons7tuéede3par7esprincipales:•  inducteur

•  induit

•  disposi7fcollecteur/balais

13

3.Descrip7ondelaMCC

14

2.&MCC&en&foncDonnement&générateur&

d)&Eléments&de&base&d’une&MCC&Il!y!a!deux!bobinages!pour!4!fonc1ons.!

Stator!:!par1e!fixe!!Rotor!:!par1e!mobile!(rota1on)!!Inducteur!:!produit!le!champ!magné1que!«!principal!»!!Induit!:!bobinage!où!apparaît!la!f.é.m.!!

3.2Rôledescons7tuantsdelamachine

3.Descrip7ondelaMCC

15

2.&MCC&en&foncDonnement&générateur&

3.3Vueencoupedelamachine

3.Descrip7ondelaMCC

3.3Inducteur(oucircuitd’excita7on)C’estunaimantouélectroaimantIlestsituésurlapar7efixedelamachine(stator)etsertàcréerunchampmagné7que(champ«inducteur»)danslerotor.

L’inducteurestfixeetsonchampmagné8queestcon8nu.Lerotortournedanslechampmagné8quedel’inducteur.

16

3.4InduitL’induitestsituéaurotor(par7etournantedelamachine).C’estunbobinage(ensembledespiresoucadres)parcouruparuncourantcon7nuI(courantd’induit).

3.Descrip7ondelaMCC

17

3.5Cadreac7fUnespireestcons7tuéededeuxbrinsd’induitensérie(sommedesf.é.m).Lesspiressontconnectéesensérie(pouraugmenterlaf.é.m.induiteEv),puisplusieursdecesensemblessériessontgroupésenparallèle(pouraugmenterlecourantd’induitI).L’induitestcons7tuédeplusieurscadresenrectangulairesavecdesbrinsdiamétralementopposés.Lesdeuxboutsdechaquecadresontsoudésàdeuxlamesmétalliquesdiamétralementopposéessuruncylindre(lecollecteur)enboutdel’arbre.Seullecadrealignéaveclechampinducteurestconnectéàl’extérieurvialetandemcollecteur/balais.C’estlecadreac7f,tandisquelesautrescadresnefontriendurantcelapsedetemps.

Quandlerotortourne,c’estunvoisinquidevientlenouveauseulcadreac7f.

3.Descrip7ondelaMCC

18

3.6LecollecteuretlesbalaisLecollecteur estunensemblede lamesdecuivrediamétralementopposéesoùsontreliéeslesextrémitésdubobinagedel’induit.Lesbalais(oucharbons)sontFIXESetsituésàl’extérieur.Ilsfro[entsur le collecteur en rota7on perme[ant de connecter un organerota7fdelamachineàunorganefixeexterne.Le disposi7f collecteur/balais permet ainsi la circula7on d’uncourant dans l’induit (fonc7onnement en moteur) ou de récolterune f.e.m. (fonc7onnement générateur). Connecté seulement aucadreac7filpermetd’avoirlaf.é.moulecouplemaximum.

balais

3.Descrip7ondelaMCC

19

3.MCCenfonc7onnementmoteur

Seul le cadre acCf aligné avec lechampinducteur,etparcouruparle courant I, subit la force deLaplace.

3.7–Fonc7onnementenmoteur:àappletMoteur

20

3.Descrip7ondelaMCC3.8–Fonc7onnementengénérateur:

àappletGénérateur

Deuxbaguesàforceélectromotricee(t)sinusoïdale(maxpourϑ=0°)Principedel’alternateur

Deuxdemi-baguesàe(t)sinusoïdaleredressée(maxpourϑ=0°)

AugmentaCondunbdecadres+Collecteuràe(t)conCnue àEV=KΩ.Ω 21

4.ModèleélectriquedelaMCC

4.1Modélisa7ond’uneMCCengénérateur(aimantpermanent)

EV

r

Modélisa7onSchémaélectriqueéquivalent

U

I

RC

H

MCC en CSG CH : CSR

U = EV − rIavecEV = KΩ ×Ω

U

Schémadeprincipeoufonc7onnel

M

I Induit

Ω

Cr 22

RC

H

Régime permanent : Cm = Cr è Ω cste

Cm Turbine externe

4.ModèleélectriquedelaMCC

4.2Modélisa7onMCCenmoteur(aimantpermanent)

EV

r

Modélisa7onSchémaélectriqueéquivalent

I

U

MCC en CSR Source : CSG

U = EV + rIavecEV = KΩ ×Ω

U

Schémadeprincipeoufonc7onnel

M

I Induit

Ω

Cm 23

U

Régime permanent : Cm = Cr è Ω cste

CrCharge méca : Pompe ou Géné Elect …

5Bilandepuissance

5.1Fonc7onnementmoteur(Inducteuràaimantprmanent)

P0=C0Ω

ConversionÉlectromagné7que

parfaite

EV=U-rIPem=EVIPem=CemΩ

PJR=rI2

P’abs=UI

EV:f.é.m.induitePem:Puissanceélectromagné7smeCem:coupleélectromagné7que

Puissanceu7le

Pu=CuΩ

η =Putile

P 'absorbée=CU ⋅ΩUI

pFer

pméca

24

C0=CFS+µ Ω

CFS:coupledepertesdefro[ementsec(solide/solide)µ:coefficientdefro[ementvisqueux(ven7la7on)

PertesJoulePJR=rI2

PertesCollec7ves(Méca&Fer)P0=C0Ω

5.Bilandepuissance5.2Expressionsu7les(Inducteuràaimantpermanent)

P’abs=UI

BoîteNoire

Pem=EVI=CemΩEV=KΩΩCem=KΩI

LespuissancesPem:Puissanceélectromagné7quePem=Cem*ΩPu:Puissanceu7le=Pem–P0PJR:PertesJouleP0:Pertescollec7ves

Pem=Pabs-PJR

Pu7le=CuΩ<P’abs

LescouplesCem:coupleélectromagné7queCu:coupleu7leC0:coupledepertescollec7vesCu=Cem–C0

€

Ω =EV

KΩ

=U − RIKΩ

Vitessederota7on25

5Bilandepuissance5.3Moteurcoupléàungénérateur:maqueaedeTP(Inducteursàaimantpermanent)

Pem:Puissanceélectromagné7smeCem:coupleélectromagné7que

MachineA MachineB

P0M=C0MΩ

EVM=UM-rMIMPemM=EVMIMPemM=CemMΩ

PJRM=rMIM2

P’absM=UMIM

PuM=CuMΩ=P’absG=CmGΩ

Moteur(M) Génératrice(G)

PuG=UGIG

P0G=C0GΩPJRG=rGIG2

PemG=CemGΩPemG=EVGIG

EVG=UG+rGIG

26

€

Pabsorbée =UI = Ppertes+ Putile

Type de pertes

effet Joule Pertes ferro-magnétiques

pertes mécaniques

Cause

résistance inducteur

hystérésis, courants de Foucault

frottements

Remède

Refroidisse-ment par ventilation

matériaux (Fe,Si) feuilletage

roulements, lubrifiants

5.Bilandepuissance

5.4LespertesdansuneMCCàaimantpermanent

€

U = EV + RI

€

EV = KΩΩ

à Variation de vitesse possible en faisant varier la tension d’alimentation de l’induit U

à Résistance d’induit R faible donc Ω ≈ U/KΩ ≈ cste€

Ω =EV

KΩ

=U − RIKΩ

Ω

0€

Ω0

6.Varia7ondevitesse

6.1Vitessed’uneMCC(aimantpermanent)

-  Inducteur fixe (stator) alimenté en continu : toute la puissance de l’inducteur est perdue (effet Joule)

-  Inducteur à aimant permanent : Plus simple -  Rôle de l’inducteur

-  Machine réversible : Bon candidat pour la motorisation de voitures dites « écologiques »

-  Schéma équivalent en continu : Ev en série avec Rinduit -  Schéma de principe -  Savoir faire un bilan de puissance -  Mesure et calcul des paramètres du modèle (Partie II) -  Calculs de points de fonctionnement (Partie II) -  Calcul du rendement (autour de 60 % pour un moteur)

-  Induit (rotor) connecté à l’extérieur lorsque son cadre (actif) est aligné avec le champ magnétique de l’inducteur

-  Collecteur + Balais -  Rôle de l’induit et du tandem collecteur/ballais

7.Pointsessen7els

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