Machines Tournantes à Courant Continus ou alternatifs

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    14-Sep-2015
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illustration du procédé de fonctionnement des machines à courant alternatifs et continus

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Machines tournantes courant continu

Machines tournantes courant continu.

I. Dfinition:

Ces machines appartiennent la famille des convertisseurs dnergie rversibles.

Elles sont capables de fournir:

Du courant lectrique continu en permanence, tant quelles sont entranes en rotation.

Du mouvement rotatif, accompagn de couple, en permanence, tant quelles sont alimentes.

La notion de permanence est associe au fait, que le courant ou le mouvement produit, sont constants dans le temps.

Ils peuvent fonctionner tel quel

Il ny a pas de structure interne de commutation ou de rgulation, comme cest le cas dans les moteurs de type Brushless

Ce type de machine possde:

Un induit ou se ralise les conversions dnergies courant ou force, selon les lois de Laplace. Linduit est sur la partie tournante ou rotor

Un groupe de bobine, nomm inducteur, qui va produire le magntisme ncessaire lapplication de lois dj cites. Linducteur est sur la partie fixe ou stator

II. Famille de moteurs.

Il existe deux grosses familles de moteurs:

1. Le moteur axial, avec charbons et collecteur.

Ils sont plus long que large Ils sont rversibles. Ils ont besoin dune induction produite par des bobines, qui ont le nom dinducteur. La manire dont les inducteurs seront coupls avec le reste de la machine, dtermine le type de machine rencontre; srie, parallle ou shunt, compos, srie parallle ou compound

Ce type de machine est de 2 3 fois plus volumineuse, que ses consurs asynchrones, utilisant du courant alternatif.

Lusage en moteur se constate de moins en moins dans lindustrie. Ils sont progressivement remplacs par des moteurs asynchrones, pilots en frquence.

Les moteurs les plus utiliss sont de type srie, car ils peuvent tre utiliss aussi bien, avec du courant continu quavec du courant alternatif. Ils prennent alors le nom de moteurs universels Les intensits absorbes en courant continu, seront plus leves, car il ny a pas de phnomne de ractance. On rencontre les moteurs srie dans les outillages portatifs ou dans llectromnager.

Les moteurs axiaux risquent de voir leur vitesse augmenter inconsidrment. Les moteurs risquent dexploser, avec la force centrifuge. On dit que le moteur sest emball Des protections doivent tre prvues, en ce sens.

La vitesse varie proportionnellement avec la tension dalimentation des induits et inversement proportionnellement avec linduction magntique. Si, pour une raison quelconque, le magntisme disparat, le moteur va semballer.

En gnrateur, lutilisation pour produire de fortes nergies, sest progressivement tarie, au profit des autotransformateurs pilots et redresss.

Un exemple de machine de traction: (document Leroy Sommer)

Ce type de machines sert encore, comme gnratrice tachymtrique. La force lectromotrice sera linairement fonction de la vitesse de rotation. Il nest pas question dans ce cas, de travailler la matire duvre nergtique, mais informationnelle. A petite vitesse, la prsence des charbons et du collecteur provoque des parasites qui risquent de perturber la qualit de linformation vitesse.

Un exemple de gnratrice tachymtrique.

2. Les moteurs radiaux sans charbons, mais avec lquivalent dun peigne dalimentation. Ils sont aussi appels Moteur Entrefer Plan

Ils sont plus large que long Ils sont rversibles. Ils ont besoin dune induction produite par des bobines, qui ont le nom dinducteur. La manire dont les inducteurs seront coupls avec le reste de la machine, devrait dterminer le type de machine rencontre; srie, parallle, etc., mais, on constate surtout des structures parallles

Ce type de moteur sutilise surtout dans des applications, o la vitesse est prpondrante, ou bien, l, o les acclrations demandes sont particulirement importantes.

La vitesse varie proportionnellement avec la tension dalimentation des induits et inversement proportionnellement avec linduction magntique. Si, pour une raison quelconque, le magntisme disparat, le moteur va semballer.

Les moteurs radiaux risquent peu de semballer, car beaucoup possdent des inducteurs raliss avec des aimants permanents. Il faudrait que les inducteurs soient instantanment rduits en poussires pour que cela se produise.

Ce type de moteurs nest pas, alors, trs peu utilis, comme gnrateur dnergie ou tachymtrique.

Schma de principe :

Vue clate dun moteur radial:

Quelques prsentations de moteurs radiaux:

III. Constitution des moteurs, au niveau bobinage.

Pour pouvoir fonctionner, les machines courant continu doivent disposer, en totalit ou en partie, de 4 types de bobines. 1. Les bobines inductrices, sur le rotor, produisent soit du couple, soit une force lectromotrice. Elles sont prsentes sur tous les types de machines. Dans le cas des moteurs radiaux, les fils se limitent une suite de pistes de cuivre graves sur le disque du rotor. 2. Les bobines des inducteurs, sur le stator. Elles ne produisent que du magntisme. Si les inducteurs sont de type srie, ils seront raliss avec des conducteurs de fortes sections. Ce qui leur permettra de rsister aux courants demands par linduit. Sinon les fils seront de sections plus modestes.

Gnralement, le courant dans les inducteurs connecter en parallle, est 10 fois infrieur celui rencontr dans un induit.

Ces bobines sont parfois absentes, si les inducteurs sont raliss avec des aimants permanents.

3. Les bobines de compensations, qui ne se trouvent que dans les moteurs axiaux de fortes puissances. Elles sont traverses par le courant principal de linduit et produisent un flux supplmentaire celui des inducteurs. Les moteurs radiaux et ceux de faibles puissances nen disposent pas.

Elles servent compenser une distorsion de flux qui se constate au niveau des panouissements polaires des inducteurs, avec la rotation de le linduit.

Elles compensent une diminution du flux des inducteurs qui se constate lorsque linduit est travers par un fort courant. Ce dernier effet se nomme: la raction magntique de linduit.

4. Les bobines de commutation. Elles sont sur le stator, au voisinage du collecteur, sur les moteurs axiaux.

Les autres moteurs nen possdent pas.

Leur prsence se justifie surtout par un constat: le fait de crer un champ magntique au voisinage du collecteur limite lapparition des tincelles sur celui-ci.

Les effets dauto-induction tendent limiter les courants de court-circuit qui se produisent, lorsque deux encoches mtalliques sont runies fugitivement, par un des charbons

Elles sont connectes en parallle, avec linduit.

Moteur axial.

Ltude des circuits magntiques dinduction, de compensation et de commutation ne sera pas traite dans cet ouvrage.

Les principales difficults de conceptions et de ralisation des bobines, se rencontrent surtout pour les rotors des moteurs de type axial.

I. Les objectifs atteindre seront les suivants:

Pour une constitution de rotor donne, avec:

Un nombre dencoches, donn et non modifiable.

Un nombre de ples et donc, de bobines dinducteurs, donn.

Une tension detravail connue.

Une intensit de sortie maximum, dsire.

Il faudra:

1. Etablir une stratgie simple de ralisation, avec un couplage des diffrentes bobines. X bobines en srie et Y, groupes de X bobines, en parallle.

2. Raliser en fonction de la stratgie choisie, une premire reprsentation, cot chignons, du bobinage. Ce sera permettra de saisir le positionnement des diffrentes bobines.

3. Choisir un des deux types de bobinages existants: ondul ou imbriqu et raliser un schma des connections ct collecteur.

Un avantage: quel que soit le type de bobinage choisi, ondul ou imbriqu, le principe permettant de trouver le schma de positionnement des bobines ct chignons est le mme.

4. Calculer le nombre de spires par bobines et la section des fils, en fonction de lintensit utile, et de la stratgie choisie.5. Vrifier si les encombrements prvisibles correspondent aux dimensions du rotor.6. Raliser le bobinage, si cela est possible.II. Rgles de base, admettre et respecter.

Les rgles cites correspondent une ralit qui sa simposer au fur et mesure des dmonstrations, de faon totalement naturelle. Ces rgles sont cites, au tout dbut, pour permettre ceux qui veulent aller vite, de travailler sans attendre les grandes thories

Le nombre dencoches dun rotor ne sera jamais divisible par 3, et pas forcment pair. (11, 23, 34 .. encoches) Le nombre de ples sera toujours pairs et dcomposable en puissance de 2 (2, 4, 8 etc), ou non dcomposable en nombre premiers (2 x 3; 2 x 5; etc.)

Tous les enroulements sont constitus de bobines identiques, relis entre elles, par des connections sries ou parallles.

Un groupe de bobines cbles de faon assurer seul, le bon fonctionnement de la machine prend le nom denroulement.

Un enroulement complet prsente, par paire de ples, deux lectromoteurs identiques, cbls naturellement en parallle deux par deux, par le seul fait du bobinage. Ils fournissent une force lectromotrice (E), pour les gnrateurs et contre-lectromotrice (E), pour les moteurs. La part du bobinage qui assure cette gnration dlectromoteur prend le nom de voie denroulement.Exemple: un moteur 4 ples simple bobinage possde 2 fois 2 voies denroulements en parallles.

Il est ncessaire de mettre chacune des deux groupes en parallle.

Il ne faut pas confondre enroulement dun rotor de machines courant continu et voies denroulement. Il peut y avoir un bobinage faire avec 3 enroulements, constitus chacun par 4 voies denroulement. Les bobines sont disposes, en partie, dans les encoches du rotor du moteur. Une grosse partie se trouve hors d