MACHINES Á COURANT CONTINU. OBJECTIFS : Déterminer le rôle des éléments constitutifs Analyser les modes de fonctionnement Choisir un moteur et son modulateur

MACHINES MACHINES Á COURANT Á COURANT CONTINUCONTINU


OBJECTIFS :

• Déterminer le rôle des éléments constitutifs

• Analyser les modes de fonctionnement

• Choisir un moteur et son modulateur d’énergie


PLAN

1- DOMAINE D’UTILISATION

2- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

3- CONSTITUTION

4- CARACTÉRISTIQUES MOTEUR

5- DÉMARRAGE

6- FREINAGE

7- VARIATION DE VITESSE

1- Utilisation 2-Principe 3-Constitution 4- Moteur 5-Démarrage 6-Freinage 7-Variation n


1- Utilisation 2-Principe 3-Constitution 4- Moteur 6-Freinage 7-Variation n

1- GÉNÉRATRICE

N’est plus utilisée en tant que telle du fait des progrès

effectués en électronique de puissance (redresseurs).

Ne sert que pour les phases de freinage.

2- MOTEUR Á EXCITATION SÉRIE

Utilisé en :

- Levage (en concurrence avec le moteur

asynchrone associé à son modulateur).

- Traction ex : métro train (remplacé par

le moteur synchrone auto piloté, puis

par le moteur asynchrone à commande

vectorielle du flux.

5-Démarrage



3- MOTEUR Á EXCITATION SÉPARÉE OU DÉRIVÉE

Était utilisé lorsqu’il y avait nécessité de variation de

vitesse, mais actuellement remplacé par le moteur

asynchrone avec variateur perfectionné.

Remarque : Pour les moteurs à faibles puissances

(< 10 KW), l’inducteur est constitué d’un

aimant permanent (samarium cobalt)

5-Démarrage



1- FONCTIONNEMENT MOTEUR

N N

S

SPrincipe :

Tout se passe comme si un conducteur placé dans un champmagnétique d’axe fixeet parcouru par un courant étésoumis à une force électromagnétique(force de Laplace).

La direction et le sens de cette forcesont donnés par la règle des trois doigts de la main droite.Règle :Majeur ------ champ MagnétiqueIndex ------- Intensité du courantPouce ------- Poussée (force)

+ -

5-Démarrage



1- FONCTIONNEMENT GÉNÉRATEUR

N N

S

SPrincipe :

Un conducteur placé sur un induit qui tourne, coupe des lignes de champ,il est le siège d’une force électromotrice(loi de Faraday e = - dφ/dt)

Le sens de circulation du courant estdonné par la règle des trois doigts de la main gauche

+ -

5-Démarrage

3- CONSTITUTION

1- Utilisation 2-Principe 3-Constitution 4- Moteur 6-Freinage 7-Variation n5-Démarrage

Boîte à bornes

VentilateurCircuit magnétique rotorique

Inducteurs principaux

Balais

Collecteur

3- CONSTITUTION

Inducteur auxiliaire

Bobinage inducteur

Bobinage induit

flasque


Inducteurs principauxInducteurs principauxDeux 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.

Inducteurs principauxInducteurs principauxDeux types d ’excitation sont utilisées, soit :



Deux types d ’excitation sont utilisées, soit :



Inducteurs principauxInducteurs principaux

Deux types d ’excitation sont utilisées, soit :



Inducteurs principauxInducteurs principaux

Bobinage Inducteur Bobinage Inducteur

Fonction : Alimenté en courant continu, il crée le champ inducteur.

Bobinage Inducteur Bobinage Inducteur

Fonction : Alimenté en courant continu, il crée le champ inducteur.

Constitution : deux possibilités

1- Série : traversé par le courant induit, il est constitué d’un petit

nombre de conducteurs de forte section.

2- Indépendant : il est constitué d’un grand nombre de

conducteurs de faible section.

Inducteur auxiliaireInducteur auxiliaire

Fonction : améliorer la commutation

Constitution : noyau massif très étroit avec un entre fer trois fois plus important que pour un pôle principal.


Fonction : améliorer la commutation

Constitution : noyau massif très étroit avec un entre fer trois fois plus important que pour un pôle principal.


ω

I/2 I/2

I

IProblème :

Un courant circule dans la spire,


I/2 I/2

ω

I

IProblème :


Pendant la commutation, il est maintenu dans le même sens (effet inductif)


I/2 I/2

I

I

ω

Problème :



Puis il s’inverse brutalemente = -Ldi/dt très grand, la surtension provoque un arc électrique


I/2 I/2

ω

I

IProblème :




Solution : il faut inverser le sens du courant et pour cela commuter sous l’influence du pôle suivant. On utilise un pôle artificiel.


I/2 I/2

ω

I

Problème :





I

Circuit magnétique rotoriqueCircuit magnétique rotorique

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.

Circuit magnétique rotoriqueCircuit magnétique rotorique

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.

Bobinage induitBobinage induit

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.

Bobinage induitBobinage induit

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.

conducteur

Carton isolantRuban imprégné

clavette

BalaisBalais

BalaisBalais 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.


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 frittés charbon cuivre, et les métallo-graphitiques.


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 frittés charbon cuivre, et les métallo-graphitiques.

les porte-balais guident les balais, en permettent le remplacement rapide, assurent une pression constante.

CollecteurCollecteur


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

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.


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 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.




lame

arbre

isolant

ailetteinduit

U :

E :

Ra :

I :

P :

a :

N :

n :

φ :

Te :

Ω :



Formules de base

1 U = E +Ra.I 2 E = P/a.N.n.φ 3 Te = E.I/Ω

U : Tension d’alimentation (V)

E : Force électromotrice (V)

Ra : Résistance de l’induit (Ω)

I :Intensité du courant absorbé par l’induit (A)

P : Nombre de paires de pôles

a : Nombre de paires de voies d’enroulement

N : Nombre de conducteurs actifs

n : Fréquence de rotation (tr/s)

φ : Flux utile sous un pôle (Weber)

Te : Couple électromagnétique (Nm)

Ω : Vitesse angulaire5-Démarrage



1 – Excitation séparée φ = f(I) si i = cste φ = cste

n tr/mn

I (A)

Te Nm

I (A)

Te Nm

n (tr/mn)

U = cstei = cste φ = cste



n = U-RaI/(P/a)Nφ

De la forme

y = a.x + b

Te = (p/a)(30/∏)NφI

De la forme

y = a.x

Te = k(U-Nnφ)

De la forme

y = a.x + b

5-Démarrage

n = Te = Te =



2 – Excitation série φ = f(I) variable avec la charge

n tr/mn

I (A)

Te Nm

I (A)

Te Nm

n (tr/mn)n = U-RaI/(P/a)Nφ

Allure proche de l’hyperboleSi I = 0 φ = 0 n = ∞ fonctionnement à vide impossible

Te = (p/a)(30/∏)NφIallure proche de la parabole

Rq : Id important Ted très important

5-Démarrage

U = cste

n = Te =

U = cste U = cste

5- DÉMARRAGE


1 – Problème du démarrage

• Pointe d’intensité

I = (U – E)/Ra

au moment du démarrage n = 0 E = 0

Id = U /Ra

Ra très faible donc Id très grand, Ted très important

intolérables pour la machine

I =

5- DÉMARRAGE


2 – Solutions

• Résistances additionnelles

MccU

+

-• Augmentation progressive de la tension d’alimentation

U

+

-

Mcc

5-Démarrage

6- FREINAGE


1 – Freinage rhéostatique

MccRh

Fonctionnement en génératrice à excitation séparée débitant

Sur une résistance.

5-Démarrage

6- FREINAGE


2 – Freinage par récupération

Principe : l’énergie de freinage est restituée au réseau d’alimentation

Problème :

E

Ra

+

-

U

E

Ra

+

-

U

Moteur Générateur

I I

E < U E > U

5-Démarrage

6- FREINAGE


2 – Freinage par récupération

Solutions :

Pour passer d’un fonctionnement moteur à un fonctionnement

générateur, il faut passer de E < U à E > U sachant que pendant la

phase de freinage lorsque n diminue E =(P/a)Nnφ diminue également.

1 – Par augmentation du flux (augmentation de i). Action vite

limitée par la valeur imax supportable par la machine.

2 – Par diminution de la tension d’alimentation. Principe

généralement utilisé grâce à l’association d’un

modulateur d’énergie quatre quadrants.

5-Démarrage

• Fonctionnement dans les quatre quadrants

Couple T

Vitesse n (ω)

P = Tω T>0 ω>0

P>0 n>0 AV n>0 AV

T<0 T>0

Moteur AVP = Tω T<0 ω>0

P<0

Freinage AV

n<0 AR

T>0

P = Tω T<0 ω<0

P>0 n<0 AR

T<0

P = Tω T>0 ω<0

P<0

Freinage ARMoteur AR

Q1Q2

Q3 Q4

6- FREINAGE




n tr/mn

U (A)

i = cste φ = cste

A : De 0 à nnominale (fonctionnement à couple constant)

1 – Principe : action sur U induit

I est maintenu constant

n = U – RI (p/a)NΦ

Te = EI Ω

Deux phases de fonctionnement : De 0 à nnominale (fonct. à T=cste)

Pour n > nnominale (fonct. à P=cste)



2 – Alimentation par hacheur abaisseur de tension

U

+

-

Mcc

UcK

K

Uc

t

Allure de Uc en fonction du temps




t1

T

Rapport cyclique a

a = = t1

T

Calcul de Uc Uc =Uxt1 T

= axU Uc = axU

temps de conduction période



Uc

t

Allure de Uc en fonction du temps



Remarque : K interrupteur électronique

• Transistor Mos Fet (petite puissance)

•Transistor bipolaire et IGBT (moyenne puissance)

•Thyristor et GTO (forte puissance)

U

+

-

MccU

+

-

MccTransistor bipolaire

GTO

IGBT : Insuled Gate Bipolar Transistor

GTO : Gate Turn Off thyristor






3 – Alimentation par redresseur commandé

U~

A K

G Uc

Charge résistive

Principe

Composant électronique de puissance utilisé:

Le Thyristor





Principe

Uc Ic

t

t

UgkU~

θ

Thyristor

Conduction:Uak > 0 et impulsion en Ugk

Blocage:Iak ≈ 0

Θ angle de retard à la conduction

Remarque : De façon à améliorer les performances

du système, les thyristors peuvent être

câblés en pont.





Pont mixte : pont mixte monophasé PD2

U~ Mcc

Th1 Th2

D1 D2

Dr

Uc





Pont mixte : pont mixte monophasé PD2

U~ Mcc

Th1 Th2

D1 D2

Dr

UcUc Ic

t

t

UgkU~

Thyristor


Blocage:Iak ≈ 0

θ


E

Montage non réversible, interdit un freinage par

récupération





Pont tous thyristors : pont monophasé PD2

U~

Uc

Fonctionnement Moteur

Mcc

Th1

Th3

Th2

Th4






U~ Mcc

Th1Uc

Th3

Th2

Th4

i


+

-






U~ Mcc

Th1Uc

Th3

Th2

Th4

i


-

+






U~

Uc

Fonctionnement Générateur

Mcc

Th1

Th3

Th2

Th4






U~

Uc

Mcc

Th1

Th3


i-

+

Th2

Th4






U~

Uc

Mcc

Th1

Th3


i+

-

Th2

Th4







Le fonctionnement en récupération est possible, pour cela

l’angle θ de retard à l’amorçage doit être supérieur à ∏/2

et les bornes de l’induit doivent être permutées.

Certains convertisseurs possèdent deux ponts tous thyristors

montés tête bêche. La permutation des bornes de l’induit

S’effectue par la validation de l’autre pont.






MccU~ U~



B : n > nnominale (fonctionnement à puissance constante)

P = TΩ

Pour T = Tn si Ω>Ωn alors P>Pn

Dépassement des caractéristiques nominales de la machine

Pour un fonctionnement en survitesse le couple ne peut être maintenu égal à sa valeur nominale, mais doit diminuer de façon à ce que la puissance ne dépasse pas sa valeur nominale.

U-RI

p/aNΦ

n =

U = cste

I = In

Seule solution pour augmenter n : Diminuer Φ

FONTIONNEMENT EN DÉSEXCITATION

1 – Principe :




2 – Réalisation

MccU~

pont1

U~

pont2

Fonctionnement à couple constant par maintien de I=In jusqu’à n=nn

(action sur le pont 1)

Fonctionnement à puissance constante pour n>nn par désexcitation

(action sur le pont2)

n tr/mn

i (A)

U = cste

n (tr/mn)

T (Nm)

nn

Zone 1

Pont 1

Couple constant

Zone 2

Pont 2

Puissance constante

Caractéristique externe

nmax




2 – Réalisation

MccU~

pont1

U~

pont2

Fonctionnement à couple constant par maintien de I=In jusqu’à n=nn

(action sur le pont 1)

Fonctionnement à puissance constante pour n>nn par désexcitation

(action sur le pont2)

n tr/mn

i (A)

U = cste

n (tr/mn)

T (Nm)

nn

Zone 1

Pont 1

Couple constant

Zone 2

Pont 2

Puissance constante

Caractéristique externe

nmax

5- DÉMARRAGE


I/2 I/2

I

I

ω

5- DÉMARRAGE


I/2 I/2

ω

I

I


I/2 I/2

I

I

ω

Problème :





Pour archiver….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

Pour archiver….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





Principe

Uc Ic

t

t

UgkU~

Thyristor


Blocage:Iak ≈ 0

θ


E

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