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Les Machines à Courant Continu. Principe Fém . Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI. Principe élémentaire. - PowerPoint PPT Presentation
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Les Machines à Courant ContinuPrincipe
Fém.Constitution
SchémaModèleCouple
EquationsExcitationPuissance
Caract MCC sepRegl Vitesse
Caract MCC Série4 quadrants
RMI
Soit un aimant permanent produisant un champ d ’excitation Be et une spire parcourue par un courant continu produisant un champ Bi. qu'observe-t-on
Principe élémentaire
NS
N
S
Bi
Be
Réponse:
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe élémentaire
N
S
Bi
Be
N
S
Réponse: Un effort d'attraction
Mais le mouvement reste limité à cette nouvelle position stable.
Il faut malgré le mouvement produit, maintenir le décalage des 2 champs pour entretenir un effort d’attraction continu et ainsi produire une rotation.
Conclusion:
Comment ?-Le champ d’excitation Be doit tourner si le champ d’induit Bi tourne.
-Le champ d’induit Bi doit rester fixe si le champ d’excitation Be est fixe.
Soit un aimant permanent produisant un champ d ’excitation Be et une spire parcourue par un courant continu produisant un champ Bi. qu'observe-t-on ?
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Les deux types de machine à champs couplés
Bi
Be
N
S
N S
-Le champ d’excitation Be doit tourner si le champ d’induit Bi tourne.
NS
N
S
Bi
Be
-Le champ d’induit Bi doit rester fixe si le champ d’excitation Be est fixe.
Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs.
Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Dans les machines à courant continu , le stator crée un champ magnétique fixe et le rotor lui présente un champ magnétique fixe lui aussi mais les conducteurs voient alternativement un courant dans un sens puis dans l’autre les parcourir, à l’aide du collecteur.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi1
Faire tourner de +22,5°Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°
Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°
Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi1
Faire tourner de +22,5°
Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de +22,5°
Faire tourner de -22,5°
représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1
Faire tourner de -22,5°
Pour aller plus loin…
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Be
Couple
Bi
1Pour aller plus loin…
-Comment pourrait-on réduire l’ondulation du couple ?
-Quel est l’influence de la position des balais sur le fonctionnement ?
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Force électromotrice: Fém.Chaque conducteur est soumis à une variation de flux: la loi de Faraday nous indique qu’une tension induite apparait proportionnelle au flux coupé et à la vitesse à laquelle on coupe ce flux
B
ligne neutre
ligne neutre
ligne neutre
/ 2 3/ 2 -/ 2 0
N S
ligne neutre
e1 ln ln ln
N S N
Champ dans l’entrefer
Tension induite dans chaque conducteur
Pour diminuer l’intensité qui les traverse, les N conducteurs de l’induit sont répartis en 2a voies d’enroulement
e e e
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Force électromotrice: Fém.
Donc la fem a pour expression 2
pE N
a
E K Soit
E
ie
= cte
= 1
< 1
ie = cte ou =cte E
E2 = (2 /1)E1PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
p: nombre de paires de pôlesA: voies d’enroulementN: nbre de conducteurs: flux magnétique (Wb): vitesse de rotation en rad/s
2
p NK
a
Phénomène de saturation du matériauferromagnétique
Constitution
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
34
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Constitution
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
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 auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Vue en coupe
Boîte à bornes
VentilateurInduit bobiné
Inducteur
Balais
CollecteurPrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
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 auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
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 auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
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 auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
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.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
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. 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%.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
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.
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Schéma
M
G
M
G
Moteur
Génératrice
M
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Modèle
inducteur
r uex
c
Rotor (induit)
Collecteur et balais
Bobines d'excitation
Stator (inducteur)
Encoches pour les conducteurs de l' induit
Entrefer
N S
Alimenté en continu , il crée le champ au niveau du stator: C’est une bobine en continu donc seule sa résistance interne intervient dans le modèle électrique
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Modèle
Ses conducteurs soumis aux variations de champ magnétiques sont le siège • de la tension induite E• de la chute de tension Ri liée aux résistance des conducteurs• à la chute de tension présente lors de régimes transitoires
U E
R
Fonctionnement en moteur
E
R
Fonctionnement en génératrice
U Ri RI
I I L
diLdt
L
diLdt
induit
diLdt
Moteur Génératrice
En régime quelconque
En régime permanent
diU E Ri L
dt
diU E Ri L
dt
U E Ri U E Ri
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Couple électromagnétique
Puissance électromagnétique
sinemC K I
K I
avec angle entre le champ de l’inducteur et celui de l’induit.Pour la machine à courant continu, cet angle est égal à /2
emC K I
emP E I ( )eem
em i
P E IC K I
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Equations de fonctionnement
RR LR L Ei
U
R L E
EdtdiLRiU
M
i
Uie
Ce
Cr
J
M
i
Uie
Cem
M
i
Uie
Cem= k i e
dt
dJCC rem
E=k e
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Modes d’excitation
Excitation indépendante Cem=KI
Excitation sérieCem = KI²
M uex
U
M U
'te
em e
C
C K i I K I
2"em
kI
C K I I K I PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Bilan des puissances
Excitation indépendante
J fer mecau méca u
a élec abs exc exc exc exc
U I P P pP P T
P P U I U I U I U I
La méthode voltamèremétrique permet de connaitre la résistance de l’induit et de l’inducteurUn essai à vide renseigne sur les pertes collectives
PV =U.IV Pfer + pertesméca =Pc pertes collectives
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Puissance absorbée
I nduit : U.I
I nducteur : ueie
Pertes J oules I nduit : RI 2
Pertes mécaniques
Puissance Mécanique
Tu
Puissance électrique EI = Tem
Pertes f er
Pertes J oules I nducteur : reie
2=ueie
CaractéristiquesMCC séparée
Excitation Séparée à U=cte
Cem
I
Cem=kI
Cem
em
U kC k
R
U1 < U2
Cu = kI - Cp
-Cp
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Réglage de la vitesse
réglage rhéostatique réglage par la tension
réglage par le flux
La vitesse est donnée par ( )e
U RI
K i
donc trois possibilités s’off rent
pour f aire varier la vitesse
( )e
U RI
K i
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
CaractéristiquesMCC série
Excitation Série à U=cte
Cem
I
Cem=kI ²
Cem
U1 < U2
Cu = kI ² - Cp
-Cp
22
em
UC kI k
R k
Cu = kI ² - Cp
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe des dispositifs d’alimentationCem
In
-In
Un-Un
+
+ I
CemU
Fonctionnement en moteur avant
Quadrant 1
M+
+ I
CemU
Fonctionnement en génératrice arrière
Quadrant 2
G
+
+ I
CemU
Fonctionnement en moteur arrière
Quadrant 3
M +
+ I
CemU
Fonctionnement en génératrice avant
Quadrant 4
G
Pour passer des quadrants Q1Q4 ou Q2Q3 le dispositif d’alimentation devra être réversible en courant.
Pour passer des quadrants Q1Q2 ou Q3Q4 le dispositif d’alimentation devra être réversible en tension.
Conclusion
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
Principe des dispositifs d’alimentation
couplecouple
vitesse
vitesse
Q1Q2
Q4Q3
montée normalefreinage en montée
Démarrage en descente Descente normale
C h a r g e e n tr a în a n tee n m a r c h e p e r m a n e n tee t a u r a le n tis s e m e n t
C h a r g e e n tr a în a n teu n iq u e m e n t a ur a le n tis s e m e n t
PrincipeFém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI
La Réaction Magnétique d’Induit
CausesLes courants induits créent un champ Bi orthogonale à Be
Les deux champs se superposent et la résultante est décalée
Conséquences:L’induction est alors plus élevée et sature les pôlesL’existence d’un flux dans l’air crée une inductance de fuite d’induit (plutôt faible car l’entrefer transversal est plutôt grand)Principe
Fém.ConstitutionSchémaModèleCoupleEquationsExcitationPuissanceCaract MCC sepRegl VitesseCaract MCC Série4 quadrantsRMI