Chapitre VI : Machines à courant continu

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Cours : Machines électriques

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Chapitre VI : Machines à courant continu

  1. 1. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 1
  2. 2. machine à courant continu INTRODUCTION Les machines à courant continu sont des machinesréversibles la marche en moteur qui est, de loin, la plus importante on préfère utiliser des redresseurs statiques à diodes ou p qà thyristors. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 2
  3. 3. Perspectives le moteur à courant continu étant le moteur idéal pour lesentrainements à vitesse variable. Il a connu, dans certaines années un nouvel essor grâce audéveloppement des commandes électroniques. A partir des années 2000, ces moteurs à courant continusont de plus en plus remplacés par les moteurs asynchrones. asynchrones Ces derniers munis de variateurs de vitesse sophistiquéspermettent de retrouver pratiquement les performances desmoteurs à courant continu.2010-2011 Mohamed ELLEUCH 3
  4. 4. Moteur cc de laminoir fourni en 1915, modernisé en 1955 et toujours en service. j2010-2011 Mohamed ELLEUCH 4
  5. 5. Moteur cc de laminoir couple max : 2500kNm à 50 tr/min, 1950 ,2010-2011 Mohamed ELLEUCH 5
  6. 6. Fém induite dans une spire ω B N θ S dS • Φ = B.S.cosθ • θ = ωt • e = -dΦ/dt = Em.sinωt !!!! dΦ/dt 62010-2011 Mohamed ELLEUCH
  7. 7. Principe de fonctionnement : Redressement de la fémBague Balais Collecteur Balais 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 7
  8. 8. Organisation Industrielle2010-2011 Mohamed ELLEUCH 8
  9. 9. permanent-field transmission gear 1 kW ( 1.5 (Bosch) )2010-2011 Mohamed ELLEUCH 9
  10. 10. DC disc-type rotor 1 kW (ABB) yp ( )2010-2011 Mohamed ELLEUCH 10
  11. 11. universal motor (AC-DC) 300W2010-2011 Mohamed ELLEUCH 11
  12. 12. DC-Motors : Organisation2010-2011 Mohamed ELLEUCH 12
  13. 13. Induit2010-2011 Mohamed ELLEUCH 13
  14. 14. Inducteur: Stator2010-2011 Mohamed ELLEUCH 14
  15. 15. Circuit inducteur Machinebipolaire: p = 1 Courbe B(θ) réelle Machinetétrapolaire: p=2 Courbe B(θ) idéalisée 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 15
  16. 16. Fém induiteMise en série des sections: E E 2 voies d’enroulement: 4 voies d’enroulement: a=1 a=2Balais décalés de α: α=0 p: paire de pôles a: paire de voie d’enroulement n: nombre de conducteurs actifs de l’induit Φ: flux par pôle N: vitesse du rotor en tr/s α: décalage mécanique des balais par rapport à la ligne neutre l li t 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 16
  17. 17. Bobinage de l’induit Enroulement imbriqué simple p = a = 1 (2 balais) Enroulement imbriqué simple p = a = 2 (4 balais) Enroulement ondulé simple : p = a = 2 (2 balais) ( ) Utilisé pour les moteurs en traction électrique: fém élevée (courant réduit) Nombre de balais i i N b d b l i minimum2010-2011 Mohamed ELLEUCH 17
  18. 18. Le Rotor +2010-2011 Mohamed ELLEUCH 18
  19. 19. Balais2010-2011 Mohamed ELLEUCH 19
  20. 20. Machine industrielle2010-2011 Mohamed ELLEUCH 20
  21. 21. Machine complète2010-2011 Mohamed ELLEUCH 21
  22. 22. Moteur à 11 MNm2010-2011 Mohamed ELLEUCH 22
  23. 23. Montage de la Machine à Courant Continu2010-2011 Mohamed ELLEUCH 23
  24. 24. Réversibilité2010-2011 24 Mohamed ELLEUCH
  25. 25. Réaction transversale de l’induit Créé par Créé par induit inducteur seul seul•Conséquences: - Distorsion des lignes d’induction - Affaiblissement du flux global s’il ya saturation - Accentue les problèmes de commutation 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 25
  26. 26. Remèdes RMI transversale p petite puissance p•Pour les petites machines, onfait d f t longitudinalesf it des fentes l it di ldans l’inducteur• ces fentes ne nuisent pas auflux inducteur, tandis qu’ellescréent des chemins de granderéluctance pour le champ del’induit.l’i d it 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 26
  27. 27. Remèdes RMI transversale grande puissance•Pour les grosses machines, on g ,dispose un enroulement decompensation.•cet enroulement est, pour unemachine à deux pôles,l équivalent d’unl’équivalent d un solénoïde quel’on dispose dans les piècesppolaires.•Cet enroulement est branchéen série avec l’induit, le sens dece courant étant opposé à ce l ilui Bobines dedes brins actifs qu’il doit compensationneutraliser.neutraliser 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 27
  28. 28. Commutation : Phénomène Induit + Collecteur en mouvement Section en commutation Balais fi B l i fixes• le courant dans la section avant la commutation Commutation (i=I/2) et après la commutation (i=-I/2). idéalel’inductance de la section en court-circuit a un double effet :• Elle s’oppose à la disparition du courant I/2. pp p• Elle s’oppose à l’établissement du courant -I/2. mmutation rée sans étincelleRemarque: La commutation est inévitable. Elle est elle inhérente au fonctionnement de la machine à Com é courant continu 28 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  29. 29. Pôles de commutation• Ces pôles dont les axes sont sur la ligne Ligne neutre neutre à vide• sont étroits de même longueur que les pôles principaux.• Leurs bobines magnétisantes, qui sont en série avec l’induit comportent peu de l induit spires de forte section.• pour induire dans la spire en court- circuit une f é i it f.é.m. e qui neutralise, à i t li chaque instant cette tension de réactance (qui s’oppose à l’inversion du courant) Section qui va• Le pôle de commutation anticipe le pôle commuter: Elle sous lequel va passer la section en passe du pôle (sud) au pôle (nord) commutation• Pour les petites puissances, les pôles Le pôle de commutation va devancer le pôle principal pour de d commutation sont utilisés aussi pour t ti t tili é i commencer l’inversion du la compensation de la RMI transversale. courant 292010-2011 Mohamed ELLEUCH
  30. 30. Le STATOR : Machine de grande puissance (1) Pôle de commutation Bobines de compensation2010-2011 Mohamed ELLEUCH 30
  31. 31. Le STATOR : Machine de grande puissance (2) 4 bobines de commutation 4 pôles inducteur2010-2011 Bobines de compensation Mohamed ELLEUCH 31
  32. 32. Equations générales de fonctionnement• En général, on suppose que la machine est parfaitement compensée: général • La f.é.m. à vide entre balais: ± Φo En Charge : Moteur: • On néglige donc: • La chute eB • La diminution du flux: (Φch ≈ Φo) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 32
  33. 33. Couple électromagnétique• force de la place 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 33
  34. 34. Expression du couple I pjinducteur PFER u.Ie U induit i d it Ie Cu Pem = Ech.I Ω Pa = Painduit = Pu = U.I + u.Ie U.I CU.Ω = Cem.Ω Pjinduit = R.I2 pméca 342010-2011 Mohamed ELLEUCH
  35. 35. Couple utileLe couple moteur et le couple résistant satisfont: 352010-2011 Mohamed ELLEUCH
  36. 36. Bilan énergétique (Moteur)2010-2011 Mohamed ELLEUCH 36
  37. 37. Problèmes posés par les moteursAu démarrage: Il faut limiter Id !!! 3) Les deux solutions combinées peuvent être utilisées en même temps : Diminuer Ud et insérer un rhéostat Rd. Di i 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 37
  38. 38. Problème d’emballementTension aux bornes de l’induit: • Il faut donc protéger les moteurs à CC contre les sous-excitations (Faible fl !) it ti (F ibl flux!) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 38
  39. 39. Différents modes d’excitation Excitation séparée ou indépendante Excitation shunt Aimant permanent Excitation composée Excitation série ou compoundLes moteurs DC qui restent enMohamed ELLEUCH surtout l’excitation 2010-2011 exploitation sont 39 indépendante ou série
  40. 40. Moteurs série• induit et inducteur sont parcourus par le même courant I• Caractéristique de vitessePour une tension donnée U, on obtient : 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 40
  41. 41. Caractéristique mécanique Φ I AV.  AP.  Sat Sat2010-2011 Mohamed ELLEUCH 41
  42. 42. Couple Cem(N)• Par élimination du P éli i ti d courant d é t des équations suivantes: ti i t En plus de l’équation Φ(I) : (Φ = k.I Av-Sat;ou Φ = cte Ap. Sat )Allure « hyperbolique » de la caractéristique mécanique, appelée aussi« caractéristique série » : (vitesse varie beaucoup avec la charge) charge). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 42
  43. 43. Etude du démarrage g• Ce couple fort de démarrage justifie l’utilisation du moteur série dans la tractionélectrique où l’on a besoin d’un démarrage (le plus rapide possible) après chaquearrêt dans une station donnée (vu le nombre d’arrêts sur une ligne!) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 43
  44. 44. Freinage par récupération• Le plus souvent, quand la source de la tension le permet, on freine en récupération après avoir transformé la machine en p p génératrice à excitation indépendante :• U>E: Fonctionnement moteur• U<E: Freinage (Fonctionnement Générateur) L’énergie cinétique du moteur est restituée sous forme g q électrique à la source U.Condition: IG IM• Il faut que la source de tension soit réversible! E• Sinon l’énergie cinétique du l énergie Umoteur sera dissipée pendant le Rfreinage dans un rhéostat g Ie 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 44
  45. 45. Freinage Rhéostatique• Le freinage rhéostatique est possible mais il faut inverser les connexions entre induit et inducteur en même temps qu on qu’on sépare la machine de la source pour la brancher sur la résistance de débit.2010-2011 Mohamed ELLEUCH 45
  46. 46. Universal machine ( (Moteur Universel) ) Approach for flux determination: A phase shift applies for the armature current Approach: highest possible direct component Assumes: cosρ ----> 1 and ρ ----> 02010-2011 Mohamed ELLEUCH 46
  47. 47. Voltage equation2010-2011 Mohamed ELLEUCH 47
  48. 48. universal machine, speed characteristic p2010-2011 universal machine, speed characteristic (AC, DC) Mohamed ELLEUCH 48
  49. 49. moteur à excitation indépendante N excitation séparée N0 0 I2010-2011 Mohamed ELLEUCH 49
  50. 50. Couple p2010-2011 Mohamed ELLEUCH 50
  51. 51. Caractéristique mécanique C excitation séparée N Nvide Remarques : La caractéristique mécanique du moteur est appelée caractéristique shuntpuisque la vitesse varie peu avec la charge. Par la variation de la tension U, la caractéristique mécanique se translateparallèlement à elle-même permettant de développer un couple donné àdifférentes vitesses. Les différentes caractéristiques du moteur sont pratiquement linéaires. Cecifacilite la commande de ce moteur moteur. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 51
  52. 52. Caractéristiques du moteur à excitation indépendante2010-2011 Mohamed ELLEUCH 52
  53. 53. Freinage• si U devient inférieure à E, le courant s’inverse dans l’induit et par suite le couple. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 53
  54. 54. Applications industrielles• Le moteur série est essentiellement celui de la traction électrique C’est lui qui équipe actuellement des électrique. C est locomotives, ainsi que des rames automotrices (métro, T.G.V, etc …) et cela pour les raisons suivantes : ) p Il présente un couple de démarrage élevé p p g Il supporte bien les surcharges Il est autorégulateur de puissance (il ralentit automatiquement dans les montées mais l’augmentation du courant est limitée) montées, l augmentation limitée). Il est robuste. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 54
  55. 55. Applications IndustriellesLe moteur à excitation indépendante se rencontre principalementavec son variateur de vitesse dans des équipements industriels (machinesoutils, l i i pompes …), où l’ dé i : til laminoirs, ) ù l’on désire Donner à la machine entrainée la vitesse optimale correspondant à chacun de ses régimes de fonctionnement Asservir la vitesse ou d’autres grandeurs moteurs gPour fournir à ces moteurs la tension continue variable, on les équipepratiquement toujours de convertisseurs électroniques (redresseurs ouhacheurs).Seuls les convertisseurs réversibles permettent un fonctionnement dans lesquatre quadrants. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 55
  56. 56. Fonctionnement 4 Quadrants N 2 1 vitesse couple vitesse couple freinage marche AV moteur AV moteur AR freinage marche AR C 3 4 vitesse vitesse couple couple2010-2011 Mohamed ELLEUCH 56
  57. 57. Exemple : monte-charge p g2010-2011 Mohamed ELLEUCH 57
  58. 58. Montée = marche AV Quadrant 1MarcheMoteur vitessependant la couplemontée Quadrant 12010-2011 Mohamed ELLEUCH 58
  59. 59. Descente = marche AR Quadrant 4Freinage couplependant ladescente vitesse2010-2011 Mohamed ELLEUCH 59
  60. 60. •FIN FIN Machine à Courant Continu2010-2011 Mohamed ELLEUCH 60

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