les machines à courant continu

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 ?


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.


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.



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 .



Be

Couple

Bi1

Faire tourner de +22,5°Faire tourner de -22,5°




Be

Couple

Bi

1


Faire tourner de -22,5°




Be

Couple

Bi

1

Faire tourner de +22,5°Faire tourner de -22,5°




Be

Couple

Bi1






Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi

1


Pour aller plus loin…



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 ?


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


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


Constitution


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.


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.


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.


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%.


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.


Schéma

M

G

M

G

Moteur

Génératrice

M


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

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