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La machine à courant continu

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Généralités • Historique : 1ere machine industrielle de l’histoire • Utilisation principalement en moteur de toute puissance (Commande et Vitesse variable simple).=> tendance à être remplacée progressivement par des MS à Aimants « Brushless ».• Utilisation en générateur en perte de vitesse :Rôle mineur (n’est plus concurrentiel devant des systèmes de type source alternative+redresseur). • Niveau de Maintenance élevé (machine à balais).• Problème de CEM.

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• Un stator Inducteur :

C’est essentiellement un électroaimant ou un aimant permanent

=> Objectif : créer un champ d’excitation dans la machine

PRINCIPE

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• Un rotor : Induit

Paquet de tôles cylindriques dans lequel sont découpées des encoches qui portent un bobinage polyphasé. Chaque phase de ce bobinage est relié à des lames de cuivre (collecteur) sur lesquelles viennent frotter des balais qui permettent d’alimenter la machine

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Inducteur

Induit

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Machines complètes

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Moteur cc de laminoir fourni en 1915, moderniséen 1955 et toujours en service.

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Moteur CC avec un couple de 11 MNm

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Moteur cc de laminoir couple max : 2500kNm à 50 tr/min de 1950

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Moyeu soudé de l’induit

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Principe de

fonctionnement

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f.é.m. induite

(FLUX COUPE φc)

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Flux magnétique à travers une spire

N Sω

B

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Flux maximumθ = 90° (par exemple)

B

19

B

20

B

21

Flux nul

θ = 0° et φc = 0

B

Le flux coupé φc dépend de la position angulaire de la spire.

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Principe : Machine élémentaire à induit à 1 spire

On considère 1 spire qui tourne dans un électroaimant alimenté en continu (B=constante)

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La machine se comporte comme un redresseur mécanique⇒Génération d’une tension à composante continue

Lors de la commutation (passage d’une lame à l’autre) la fem est nulle(les conducteurs sont dans la Ligne de neutre )

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t

E

0

∆t

•Les balais sont toujours placés à l’endroit de tension maximale

•Lorsque l’on passe d’une lame à l’autre la tension est nulle

TENSION DE SORTIE AVEC PLUSIEURS SPIRES

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I

Si on fait circuler un courant dans l’induit => on obtient un couple qui est toujours dans le même sens.

BlIF

∆=

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VOIES D’ENROULEMENT

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N S

12

3

4

4’

3’

2’1’

Ligne neutre

28

+

-

B

B’B’

B

1

2

3

41’2’

3’

4’ 1

23

4

4’

3’2’

1’

t

29

+

-

B

B’B’

B

4’

1

2

341’

2’

3’ 4’

12

3

3’

2’1’

4

t+∆t

30

+

-

B

B’B’

B

3’

4’

1

234

1’

2’ 3’

4’1

2

2’

1’4

3

t+2∆t

31

+

-

B

B’B’

B

2’

3’

4’

123

4

1’ 2’

3’4’

1

1’

43

2

t+3∆t

32

+

-

B

B’B’

B

1’

2’

3’

4’12

3

4 1’

2’3’

4’

4

32

1

t+4∆t

33

+

-

B

B’B’

B

4

1’

2’

3’4’1

2

3 4

1’2’

3’

3

21

4’

t+5∆t

34

1

2

3

4

4’

3’

2’ 1’

+

-

En moteur

M

B

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Noyau de fer statorique

Ligne de champ inducteur

Bobine inductrice

B

MC

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Ω

Évolution de B et M en rotation

M

B

37

Ω

38

Ω

39

Ω

40

Ω

41

Ω

42

Ω

43

Ω

44

Ω

45

Ω

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L’amplitude de B est commandée par le courant d’induit traversant le rotor (B= k’I) et l’amplitude de M par le courant inducteur. La commande du couple est donc très aisée mais la machine est de structure complexe.

Une simple régulation de courant permet de contrôler le couple.

Pour avoir B pratiquement perpendiculaire à M pendant toute la rotation est ainsi avoir un couple instantané constant, il faut :

Augmenter le nombre d’encoches.

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CONSTITUTION

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Le rotor

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Les portes balais

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LES BOBINAGES

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On distingue les enroulements imbriqués et ondulés comme explicité sur les schémas ci-dessous du développement partiel d’un rotor qui montre comment les spires sont raccordées aux lames du collecteur.

Enroulements imbriqués et ondulés

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Faisceaux et section Un faisceau est composé de conducteurs bouclés plusieurs fois dans les mêmes encoches pour augmenter la longueur équivalente. Une section (qui ressemble à des spires concentriques, comme pour une bobine) est composée de deux faisceaux.

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Réaction magnétique de l’induit

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N S

+

-

Lignes de champ dues à l’inducteur

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N S

+

-

Courant dans les spires

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N S

+

-

Lignes de champ dues au rotor

62

N S

+

-

Brotor

Lignes de champ dues au rotor

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N S

+

-

Déformation du champ résultant

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Déformation du champ résultant, donc :

• 1ère Solution :décalage de la ligne neutre. Saturation de certaines cornes de l’inducteur Saturation de certaines cornes de l’inducteur ⇒⇒ réduction du réduction du

flux par pôleflux par pôle

Au total : réduction du flux embrassé par le Au total : réduction du flux embrassé par le bobinage.bobinage.

Problème de commutation : la densité d’induction au Problème de commutation : la densité d’induction au niveau des conducteurs perpendiculaire à l’axe de niveau des conducteurs perpendiculaire à l’axe de l’inducteur n’est plus nulle l’inducteur n’est plus nulle

0)( ≠∧=

Φ= BVL

dtdE

coupé

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LIGNES DE CHAMP DANS UNE MCC A EXCITATION BOBINEE

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Comment vaincre la réaction magnétique d’induit

• Il faut compenser la machine. (on retrouve le flux inducteur maximum)

• Il faut introduire des pôles d’aide à la commutation

=> on annule localement la composante radiale du champ autour de la ligne de neutre.

4 pôles inducteur4 bobines de commutation

Bobines de compensation

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N S

+

-

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N S

+

-

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Bobines de compensation

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Lors du passage de la ligne neutre une section est mise en court-circuit par un balai. Pendant ce court-circuit, le courant doit s’inverser.

Les pôles auxiliaires de commutation, placés dans l’axe interpolaire des pôles principaux, doivent accélérer l’inversion de courant afin de limiter les arcs électriques, sur les lames de collecteur, qui réduisent sa durée de vie.

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Pôle de commutation

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A

Ie

V

Ω 0moteur

Caractéristiques à vide

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Caractéristiques à vide

Ie

E

E(Ω 0,Ie)

Fonction linéaire E = h. Ω 0.Ie

saturation

Er

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Couple électromagnétique

-

+

N

I

N S

Fe

Fe

Ce=∑ Fe x r

Étude en charge (I≠0)

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La machine à courant continu est soit :une f.é.m. = génératrice

+

récepteur+

I

moteur entraînant la mcc

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soit une f.c.é.m. = moteur

+

générateur+I

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Les différents modes d’excitation de la machine à courant continu

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Machine à excitation séparée :

U

If

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U

If

Machine à excitation shunt :

Iinduit

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Machine à excitation série :

U

If = Iinduit

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U

Machine à excitation compound :

If

Inducteur série

Inducteur parallèle

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U

Machine à aimants permanents

I

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SERVO-MOTEUR A ENTREFER PLAN

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En désuétude Excitation compound

Inconvénients Avantages Type de moteur

Moteurs à excitation série alimentée en tension alternative => petit électroménager ( ce ne sont pas des MCC mais leur constitution est semblable) => même problèmes de maintenance

Moteurs monophasés à collecteur

Moins apte à la variation de vitesse que la MCC à Excitation indépendante

Applications à vitesse constante ( excitation indépendante avec U et If constant)

Excitation shunt

+ fragile que le moteur série : enroulement inducteur faible courantRem : Ce problème ne se pose pas dans le cas des MCC à aimants mais on ne peut pas régler l’excitation dans ce cas

Commande en tension Vitesse variable

Excitation indépendante

Risque d’emballement à vide Fort couple au démarrage Vitesse variableRobustesse => Moteur de traction ferroviaire

Excitation série

Comparaison de différents type de MCC

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Les quadrants de fonctionnement

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Ν

Χ

vitessecouple

couplevitesse

vitessecouple couple

vitesse

moteur marche ΑR

Freinage/ génératrice

freinage marche ΑR

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3 4

moteur marche AV

moteur

freinage marche AV

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ALIMENTATION ELECTRIQUE

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POLLUTION HARMONIQUE DES DIFFERENTS REDRESSEURS

COMMANDES D’ALIMENTATION

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Avec bobine infinie

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Augmentation de la fréquence de l’ondulation

par association

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Remplacement progressif pour le même type d’application par des Machines Alternatives (MS ou MAs)

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Remplacement progressif pour le même type d’application par des Machines Alternatives (MS ou MAs)

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Maintenance périodique toutes les deux mille à cinq mille heures --> blocage de l’activité de la machine . (5000 h= 208 jours plein= 833 jours à 6h/jour ). Il faut du personnel…mais est ce toujours un problème?...d’autant que les pièces sont peu coûteuses.

Dépoussiérage périodique ( ~ 100 à 200 H)

Différentes opérations à effectuer plus ou moins régulièrement

dépoussiérage complet pour éliminer le charbon (risques d’incendie) ;

changement des charbons et usinage du collecteur ;

graissage ;

nettoyage des filtres à air.

Coût d’achat élevé pour la machine mais faible pour le variateur

SOLUTION ALTERNATIVE

Remplacer une MCC existante par un système à courant alternatif ?

Installer un système avec MCC : peu probable en Europe.

ENTRETIEN

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Conclusion

- Une machine facile à commander en vitesse variable (motorisation)

- Une gamme de puissance et d’application importante

- Évolution de l’Électronique de puissance => perte de vitesse au profit des machines alternatives (MS ou MAS)

- Une constitution complexe => un niveau de maintenance élevé