La variation de vitesse des moteurs courant continu

1

sommaireTechnologie des moteurs Variation de vitesse freinage des moteurs Les aimants permanents

2

Technologie des moteursrotor Bobinage Induit A1-A2 Auxiliaires de commutation 1B1, 1B2, 2B1, 2B2 Porte balai

Inducteur F1-F2

Compensation C1-C2

Stabilisation D1-D2 collecteur

Vue gnrale

stator

refroidissement 3

StatorOn peut retenir 3 parties : - fixation du moteur (bride ou support de fixation) - la boite bornes (cblage) - la culasseVoir catalogues constructeurs

La culasse forme la partie extrieure. Sa fonction : - Supporter tous les lments constitutifs d une MCC - Guider les lignes du champ inducteur. Elle peut tre constitue d acier massif car le flux est fixe retour 4

InducteurIl magntise la machine par l intermdiaire dun champ fixe constant ou rglable. 2 solutions sont possibles pour cela : - bobine + pice polaire (page suivante) - aimant permanent (un chapitre lui est consacr)

5

InducteurLe bobinage est ralis en fil de cuivre de section plus faible que celui de linduit (excitation indpendante)

Linducteur peut tre massif, mais le passage de la denture de linduit provoque une pulsation de flux dans la partie des panouissements polaires. Pour cette raison on ralise les ples inducteurs en un assemblage de tles magntiques (acier 3,5% de silicium).

Avec cette solution on peut rgler la vitesse

retour 6

Rotor ou induitIl est constitu de 3 partiesle circuit magntique

le collecteur le circuit lectrique7

Rotor ou induitLe circuit magntique

On peut retenir : Le flux dans le CM est variable. Pour diminuer les pertes par - tles isoles et3,5% de silicium, paisseur 0,35feuillet hystrsis courants de Foucault le CM est mm - des pertes de 3 W/kg pour une induction de 1T8

Rotor ou induitLe circuit lectrique (terminologie) 1 section cest : = 2 faisceaux = x spires1 faisceau = x brins Lame du collecteur Ttes de bobinage (chignons)

Reprsentation d une section Les sections sont montes dans les encoches de l induit9

Rotor ou induitOn rencontre 2 sortes de bobinagey1 y2 y2 y1

yc Bobinage imbriqu

yc

Bobinage ondul

Reprsentation panoramique Le choix des bobinages dpendra des courants et tensions appliques l induit. Yc = pas au collecteur ; y1 = pas de bobine ou pas arrire ; y2 = pas avant bobinage imbriqu : forte intensit, faible tension bobinage ondul : faible intensit, forte tension retour 10

Rotor ou induitCollecteur

retour

Dpart d une section Lame de cuivre Retour d une section

Couronne de positionnement

Arbre rotor crou de serrage isolant11

Cest llment qui limite le plus les performances du moteur

Balais et porte-balaisLusure du balai provoque la mise en court-circuit du collecteur (flash). Ncessit de souffler, avec de l air comprim, le collecteur et les porte-balais Un balai couvre environ la largeur de 1 lame et demi. La pression du balai est assure par un ressort. La matire utilise pour les balais est base de graphite. La chute de tension eB due un balai est denviron 0,3V 3V.12

Slection des balais* Charbon dur (8A/cm2). Pour appareil mnager et moteur universel en gnral. Usure importante du collecteur. * Charbon lectrographite (12A/cm2). Les performances sont excellentes pour les applications les plus diverses. * Charbon graphite (12A/cm2). Adapt aux petits moteurs courant continu, pour l'automobile par exemple.est encore aujourd'hui une affaire Le choix des balais

d'exprience. Il est donc vivement conseill de suivre les Par mlange de graphite et de mtal, fritt ensemble, on obtient une meilleure indications du constructeur en cas de remplacement de balais.conductivit lectrique et un effet lubrifiant. * Charbon graphite - cuivre (25A/cm2). Ce type de balai est bien adapt aux faibles tensions et la rsistance l'usure est grande. * Charbon graphite - argent (2OA/cm2). la chute de tension aux bornes est trs faible. Bien adapt pour les tachys et les instruments de mesure.

retour 13

raction magntique d induit RMILigne neutre

NN

S S

;1er : induit seul aliment. 3me moteur vide 2me : fonctionnement moteur. On a composition des 2 champs. seul un champ Consquence : transversal au champ inducteur. On a linducteur est aliment. -Onchampde la ligne de neutre rotation est de plus faible Ce a un champ uniforme. intensit. - renforcement des lignes de champs sous les cornes polaires d entre C est lui qui cre la raction magntique d induit. - rduction des lignes de champs sous les cornes polaires de sortie14

Correction de la RMIEn fonctionnement moteur la RMI entrane une diminution du flux inducteur donc une augmentation de la vitesse Par des ples de compensation sur des machines de puissance suprieure 150 kW Par des enroulements de stabilisation sur des machines de puissance suprieure 10 kW Par des ples de commutation sur des machines de puissance suprieure 1 kWCes valeurs de puissance sont indicatives car elles varient dun constructeur lautre suivant les dispositions technologiques adoptes

15

Ples de compensationIls sont placs dans les panouissements polaires et sont connects en srie avec linduit. Ils produisent un flux inverse de la RMI.

Uniquement pour les inducteurs bobins retour 16

Enroulement de stabilisation

Enroulement de stabilisation

*stabilisation Enroulement inducteur *inducteur

Il est connect en srie avec linduit de faon produire un flux additif ( sur l inducteur). Il limite les effets de la RMI. retour 17

Ples auxiliaires de commutationIls limitent la production Ils sont cbls en srie avec dtincelles entre le collecteur linduit et se trouvent et les balais par annulation perpendiculaires l axe de du courant dans la section o l inducteur le courant s inverse

Pour des machines de petite puissance (1 10 kW), on utilise cet enroulement pour faire la compensation de la raction magntique d induit (RMI)

retour 18

Rle des diffrents bobinages

J : excitation J 1 : auxiliaire de commutation J 2 : compensation

J 3 : srie stabilisation J 4 : raction d induitretour19

RefroidissementInducteur elles peuvent tre plus importantes que dans linduit.

Les principales sources de chaleur . Elles sont essentiellement dues aux pertes par effet joule dans les conducteurs lectriques Induit Dans le cas dun inducteur aimant il ny pas de pertes ce niveau.20

L vacuation des sources de chaleur se fait par 3 modes de transfertconduction rayonnement convection * naturelle * force

21

Refroidissement

sommaire

Du point de vue industriel lorsquon installe une Mcc, cest pour lutiliser associe un variateur

on fixe un ventilateur qui fonctionne indpendamment de la Mcc. La circulation dair dans lentrefer est ainsi force. Except : robotique, quipement automobile, petite puissance.22

Variation de vitesseModle quivalentI R L

On ne sintressera qu ltude des Mcc excitation indpendante flux constant Uinduit E en application moteur. Charge entranante ou non. R : rsistance du bobinage de linduit L : inductance du bobinage de linduit E : fcem dans l induit due au mouvement de rotation du rotor (champ inducteur coup par les sections de linduit)

23

Rappel des expressionsU = RI + eBcasL dI/dtpeuventAvec K constante de machine Dans notre + E et I + E se ramener aux expressions suivantes : K=2.T.Z.p/a E=Kx;x* E = K . ; C=Kx-x* C = K . Z = nombre de conducteurs dans une encoche p = nombre de paires de ples a = nombre de paires de voies ; = vitesse de rotation en rad/s * = flux inducteur en Wb I = courant dinduit en A eB = chute de tension aux balais (nglige)

24

Simplification des expressionsDans un premier temps on considre que : - La chute de tension aux bornes de la rsistance reste faible. - Le courant est suffisamment liss pour que LdI/ dt = 0. On obtient les expressions suivantes : U } K; I } C / K Pour faire variermodifie U il suffit de faire varier la tension Si on la vitesse alors on modifie ;. Si le couple (charge) varie alors le moteur varie. moyenne applique sur courant25

Caractristiques mcaniquesCaractristiques flux constant; U3 U2 U1 CCourbes paramtres en U

en charge; C1 C2 C3

UCourbes paramtres en C

Source d nergie

Variation de Umoy

Mcc =

;

charge

synoptique d un moto variateur (en B.O.)

26

Les grandeurs U et I sont positives ou ngatives ; donc les grandeurs mcaniques sont positives ou ngatives. Cela dfinit les quadrants de fonctionnement mcanique et lectrique.; (U) gnrateur moteur

2 3moteur

1 4

C (I)

gnrateur

Cest la puissance P = C . ; qui dfinit la nature du fonctionnement. rcepteur P > 0 gnrateur P < 0

27

Structures des variateursPlusieurs critres sont prendre en compte : - nature de la source d nergie (continue ou alternative) ; - 1 ou 2 sens de rotation ; - charge entranante ou non ; - freinage naturel ou forc ; - puissance du moteur ; - le moteur fonctionne en couple ou en vitesse ; - etc.... La structure interne des variateurs est lies ces critres. On se limitera la prise en compte des 4 premiers critres.28

Alimentation par le rseau

Rseau lectrique

b =

Mcc =

;

charge

Le variateur est un redresseur command : - soit avec un pont mixte ; - soit avec un pont complet.29

Alimentation par le rseau monophasP < 10 kWPont PD2 mixte;

Double pont PD2 complet;

1

C

2 3

1 4

C

0,65

.. 9,3 kW

0,6

.. 8,6 kW30

Source Schneider lectrique gamme Rectivar

Alimentation par le rseau triphasP > 3 kWPont PD3 complet;

Double pont PD3 complet;

1

C

2 3

1 4

C

6

.. 1690 kW

2,7

.. 1530 kW31

Source Schneider lectrique gamme Rectivar

avec un pont mixteTh1 Rseau D1 D2 Th2 DRL M =

Schma de principep Les I.S. sont unidirectionnels en courant (non rversible en couple). p Un seul sens de rotation. p1 quadrant de fonctionnement (N1). p Aucune contrainte de freinage.32

Si on veut un 2me sens de rotation moteurTh1 Rseau D1 D2 Th2 DRL M =

Il faut croiser les connexions sur le moteur (inversion de polarit) laide dun contacteurp 2 quadrants de fonctionnement (N1 et 3). p Les conclusions prcdentes restent identiques33

Industriellement on utilise plutt la structure suivante.Th1 Rseau D1 M = D2 Ce bloc assure la fonction DRL

Th2

Les zones ombres reprsentent des blocs intgrs.34

avec un pont completTh1 Rseau Th4 Th3 Th2 M =

Schma de principep Les I.S. sont unidirectionnels en courant (non rversible en couple). p 2 sens de rotation. p 2 quadrants de fonctionnement (N1 et 2). p Freinage statique (quadrant N2).35

Si on veut un 2me sens de rotation moteur 1re solutionTh1 Rseau Th 4 Th3 Th2 M =

Il faut croiser les connexions sur le moteur (inversion de p Les I.S. sont unidirectionnels en courant p2 sens de rotation. polarit) l aide dun contacteur. quadrants de retenue industriellement. p 4 Solution peufonctionnement. p Freinage statique (quadrant N2 et 4). Elle ne permet pas un freinage dynamique36

Th1 Rseau Th4

Th2 M = Th3

2me solutionTh1 Th2 Rseau Th4 Th3

p Les I.S. sont unidirectionnels en courant p 2 sens de rotation. p 4 quadrants de fonctionnement. p Freinage statique et dynamique (quadrant N2 et 4).

Il faut grer le passage de la conduction dun pont sur lautre (passage Q2 Q3 et Q1 Q4)37

Industriellement le pont complet nest utilis que dans le cas o la rcupration dnergie est possible (levage, traction,.). De plus le facteur de puissance dun pont mixte est suprieur celui dun pont complet. Le dimensionnement des constituants sera mieux optimis.

38

Alimentation continueRseau continu

= =

Mcc =

;

charge

Le variateur est un hacheur de type srie. Le rseau continu provient : - soit de batteries - soit dun redresseur diode39

Principe du hacheurHACHEUR IM E commande M = UM 1 0 1 0 UM E IM t1 t1 T T Signal de commande

DRL

Etat logique du hacheur t1 T Tension moteur (I Courant moteur

Composant de base du hacheur : - transistor bipolaire, - transistor MOS, - transistor IGBT, - thyristor.

Le choix dpend essentiellement de la puissance, de la date de cration.40

Quadrant de fonctionnement; Gnrateur P0

4

1

C

Avec ce type de hacheur on peut travailler dans un quadrant (1) ou 2 quadrants (1 et 4) suivant la rversibilit en courant de linterrupteur statique et de la source.41

2 sens de rotationOn peut utiliser un contacteur comme dans la solution Il faut raliser une inversion de polarit sur les bornes de redresseur . linduit. On aura le fonctionnement qui nous permet de On prfre une structure pont en Hdans les quadrants 1 et 3. fonctionner dans les 4 quadrants. T1 E T4 IM M = UM T3 T2

42

Quadrant de fonctionnement; gnrateur moteur

2 3moteur

1 4

C

gnrateur

Pour travailler dans les 4 quadrants il est ncessaire que les I.S. et que la source soient rversibles en courant.sommaire 43

Freinage du moteur courant continu

44

Dans le cas o il est ncessaire de ralentir la charge il y a plusieurs solutions pour dissiper lnergie cintique emmagasine par le rotor et la charge : - Freinage mcanique (non abord dans ce chapitre) - Utilisation dun module de freinage (rsistance lectrique) dans lequel vient dbiter la Mcc. - Renvoi de lnergie dans la source.

45

Point de fonctionnement; gnrateur moteur

2 3moteur

1 4

C

gnrateur

Passage du quadrant 1 vers 2 sur une variation de couple brutale 2 cas ne peut pas varier instantanment.) (la vitesse peuvent se prsenter Passage du quadrant 1 vers 4 lors dune inversion de vitesse.(Le couple ne peut pas varier instantanment)46

Redresseur command avec un pont mixte

Th1 Rseau

Th2 M = Module de freinage

DRL D1 D2

Aucune possibilit de freinage par le variateur rajout d un module de freinage47

Redresseur command avec un pont completTh1 Rseau Th4 Th2 Th3 M = Module de freinage

Ce convertisseur nous permet de travailler dans les quadrants 1 et 2. Il est donc possible davoir un freinage par inversion de la tension (renvoi de lnergie sur le rseau). Par contre la rversibilit en courant nest pas possible. Une solution consiste rajouter un module de freinage. On a alors un freinage possible dans les quadrants 2 et 4.48

Hacheur avec un interrupteur statiqueHACHEUR IM E commande DRL M UM

Le freinage peut se faire sans modification de la Il faut alors surveiller la tension aux bornes de la source afin quelle structure si linterrupteur statique et la source sont ne devienne pas trop importante (tenue des composants en tension). rversibles en courant. Dans le cas dune impossibilit de la rversibilit de la source on rajoute un module de freinage49

Hacheur avec un pont en H Le freinage peut se faire sans modification de la structure condition que : -les interrupteurs statiques soient rversibles en courant. -La source dalimentation soit rversible en courant. Dans le cas dune non rversibilit de la source, ce qui est souvent le cas du point vue industriel, et que par ailleurs on dsire un freinage rapide, il faut rajouter un module de freinage aux bornes de la source.50

ExempleSur un quipement de levage le moteur doit fournir le profil de vitesse et de couple suivant; 157 rd/s t

Cmot 4 Nm 21

A

B

C

D

E

Ft

51

On peut en dduire la nature de la rversibilit statique et dynamique du moteur. Cela permet de faire le choix du moto-variateur 2 ; 157gnrateur

B A

1moteur

C

moteur

1

2 F

4

Cgnrateur

D E -157

3

4sommaire 52

Les aimants permanents

53

On les retrouve dans toutes sortes d applicationslectrotechnique : moteur, soufflage d arc,.. lectronique : haut-parleur, tube TV, .. Mesure : dbitmtre, capteur vibration, Divers : crochets de porte, aimants souples, ..

Un article publi par la socit ARELEC dans la revue Technologie N93 de janv/fv 1998 permet d avoir une ide des nombreuses applications possibles54

Interprtation par la thorie des domaines de Wess A l intrieur dun domaine (10-9 cm3) tous les moments magntiques sont orients dans le mme sens

En prsence d une excitation magntique H le comportement sera diffrent suivant les matriaux.

55

Les domaines restent orients de faon quelconque Matriau amagntique (faiblement magntique)

H

gaux et parallle 2 2 opposs Matriau anti ferromagntique (ex : le chrome)56

H

Les domaines sorientent tous dans le mme sens. Matriau ferromagntique (ex : fer)

H

Ingaux et parallle 2 2 opposs Matriau ferrimagntique (ex : les ferrites) formule gnrale : X Fe2 O4 avec X = Co ; Ni ; Cu ; Zn 57

H

Cycle d hystrsisB(T) Br

Hc

H(kA/m) |BH| (kJ/m3)|BH|max

Les constructeurs fournissent une grandeur - Hc : champ coercitif Un aimant est un gnrateur. le dimensionnement des supplmentaire importante pour On caractrise les Br : induction rmanente - aimants partir du quadrant 2. CM qui est l nergie spcifique. On l appelle la courbe de dsaimantation.- |BH|max : nergie spcifique (facteur de qualit)58

Les aimants actuellement disponibles

Ils se retrouvent sous 3 formes : -les alnico (aluminium, nickel, cobalt) -les ferrites (obtention par frittage chaud) -les composes mtaux-terres rares (Sm-Co et Nd-Fe-B)

59

Caractristique des aimants

60

Ferrite

Alnico

Samarium Cobalt

Nodyne Fer Bore

nergie spcifique Bhmax (kJ/m3) 30 60 200 320 Densit (g/cm3) 5 7,3 8,4 7,5 Coefficient de temprature -0,2 -0,02 -0,03 -0,6 (% par degr K) Attention la temprature. Point de Curie Si le point de Curie est dpass, les matriaux magntiques (C) 450 740 860 720 820 310 Prix perdent leur qualit. Ils ne retrouvent pas forcment leur (F/kg en 1995) 20 200 1350 1000 proprit aprs refroidissement . Production (t/an) 300 000 Qques 1 800 3 400 milliers avantage Prix faible Stabilit H et Hc lev H et Hc lev Hc lev thermique Compact Compact H important inconvnient Cassant Hc faible Corrosion Corrosion Tolrances Cot fluctuant Prix Coefficient de limites Sujet aux courants de temprature Faucoult Disponibilit. Difficile magntiser61

Dmontage dun moteurQue se passe-t-il lorsquon retire le rotor dun moteur ? Afin de simplifier, imaginons le circuit magntique suivant

Ha, Ba la, Sa

*

lf, Rf

partir du thorme dAmpre on dmontre que :

la Ba ! Ha Rf . Sa

Constante = pente D1

Cest la caractristique externe du CM62

Point de fonctionnement du CMP C. externe (pente D1) Ba BrLa pente de la droite de recul est la tangente en Br

C. interne Ha Hc

Si le champ H varie, on dcrit des mini cycles d hystrsis trs troit. Cest le lieu de dplacement du point P. On peut le confondre avec une droite quon appelle la droite de recul63

On ajoute un entrefer (retrait du rotor)

lf, Rf Ha, Ba la, Sa * le, Se, Q0

Ba ! Ha

la Sa.le Rf .Sa Q 0 Se

Constante = pente D2

Pente D1 < pente D2

64

Nouveau point de fonctionnement du CMP C. externe (pente D1) C. externe (pente D2) P Ba Br

C. interne Ha Hc

Si le champ H varie, on dcrit des mini cycles d hystrsis trs troit autour de la droite de recul (dplacement de p).65

On referme lentrefer (remise en place du rotor) C. externe (pente D1) C. externe (pente D2) P Ba Br

C. interne Ha Hc P Le point de fonctionnement du CM sera en P. H et B seront infrieurs aux valeurs avant dmontage.66

Tant que la caractristique interne est confondue avec la droite de recul il n y aura pas de perte d aimantation. Il ne faut pas aller au-del des coudes de dsaimantation.

Remarque : la droite de recul et la C. externe du Sm Co sont confondues.

67

Montage des aimants

sommaire

Alnico : ce sont des aimants fondus et aimants en place. Ils sont trs cassants. Les formes peuvent tre diverses. Utilis dans des petites puissances Ferrites et terres rares : ce sont des aimants obtenus par frittage dans des formes simples. Ils sont difficiles usiner et sont souvent associs des pices polaires pour canaliser le flux magntique. Gnralement les ferrites sont utiliss dans les petites puissances (< 1 kW) mais ce sont celles qui ont le plus d applications diverses. Leur support peut tre souple ou rigide. Ils sont pour la plupart du temps anisotrope .68

FINBibliographie aimants permanents : - extraits du guide des aimants publi par la socit ARELEC paru dans les revues Technologie N92, 93 et 94. - Technique de l ingnieur volume D2 I gnie lectriqueJean-Franois Ansoud Lyce du Val de Sane 01606 Trvoux69

Anisotrope : qualifie un corps (ou un milieu) dont les proprits varient selon une direction privilgie dans lespace.

Isotrope : qualifie un corps (ou un milieu) dont les proprits sont identiques quelque soit la direction dans lespace.

retour

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