chapitre vi : machines à courant continu
DESCRIPTION
Cours : Machines électriquesTRANSCRIPT
12010-2011 Mohamed ELLEUCH
machine à courant continuINTRODUCTIONINTRODUCTION
Les machines à courant continu sont des machines réversibles
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 2Mohamed ELLEUCH
Perspectives
le moteur à courant continu étant le moteur idéal pour lesle moteur à courant continu étant le moteur idéal pour les entrainements à vitesse variable.
Il a connu, dans certaines années un nouvel essor grâce au développement des commandes électroniques.
A partir des années 2000, ces moteurs à courant continu sont de plus en plus remplacés par les moteurs asynchronessont de plus en plus remplacés par les moteurs asynchrones.
Ces derniers munis de variateurs de vitesse sophistiqués permettent de retrouver pratiquement les performances des moteurs à courant continu.
2010-2011 Mohamed ELLEUCH 3
Moteur cc de laminoir fourni en 1915, moderniséen 1955 et toujours en service.j
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Moteur cc de laminoir couple max : 2500kNm à 50 tr/min, 1950,
2010-2011 5Mohamed ELLEUCH
Fém induite dans une spire
ωB
N SdS
θdS
• Φ = B.S.cosθΦ• θ = ωt• e = -dΦ/dt = Em.sinωt !!!!e dΦ/dt Em.sinωt !!!!
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Principe de fonctionnement :Redressement de la fémRedressement de la fém
Collecteur
Bague Balais
Balais
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Organisation Industrielle
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permanent-field transmission 1 ( )gear 1.5 kW (Bosch)
92010-2011 Mohamed ELLEUCH
DC disc-type rotor 1 kW (ABB)yp ( )
102010-2011 Mohamed ELLEUCH
universal motor (AC-DC) 300W
112010-2011 Mohamed ELLEUCH
DC-Motors : Organisation
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Induit
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Inducteur: Stator
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Circuit inducteur
Machine bipolaire: p = 1
Courbe B(θ) réelleCourbe B(θ) réelle
Machine tétrapolaire:
p = 2tétrapolaire:
p = 2
Courbe B(θ) idéalisée
15
Courbe B(θ) idéalisée
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Fém induiteMise en série des sections:Mise en série des sections:
EE
2 voies d’enroulement:a = 1
4 voies d’enroulement:a = 2
Balais décalés de α: α = 0
p: paire de pôlesa: paire de voie d’enroulementn: nombre de conducteurs actifs de l’induitΦ: flux par pôleN: vitesse du rotor en tr/sα: décalage mécanique des balais par rapport à
l li t16
la ligne neutre2010-2011 Mohamed ELLEUCH
Bobinage de l’induit
Enroulement imbriqué simplep = a = 1 (2 balais)p = a = 1 (2 balais)
Enroulement imbriqué simplep = a = 2 (4 balais)
Enroulement ondulé simple :p = a = 2 (2 balais)p ( )
Utilisé pour les moteurs en traction électrique:
fém élevée (courant réduit)N b d b l i i i
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Nombre de balais minimum
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Le Rotor
++
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Balais
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Machine industrielle
202010-2011 Mohamed ELLEUCH
Machine complète
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Moteur à 11 MNm
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Montage de la Machine à Courant ContinuCourant Continu
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Réversibilité
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Réaction transversale de l’induit
Créé par inducteur seul
Créé par induit seulinducteur seul seul
•Conséquences: - Distorsion des lignes d’induction - Affaiblissement du flux global s’il ya saturation
Accentue les problèmes de commutation
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- Accentue les problèmes de commutation
Remèdes RMI transversalepetite puissancep ppetite puissance
•Pour les petites machines, on f it d f t l it di lfait des fentes longitudinales dans l’inducteur
• ces fentes ne nuisent pas au flux inducteur, tandis qu’elles créent des chemins de grande réluctance pour le champ de l’i d itl’induit.
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Remèdes RMI transversalegrande puissance
•Pour les grosses machines, on
grande puissanceg ,
dispose un enroulement de compensation.•cet enroulement est, pour une machine à deux pôles, l’équivalent d’un solénoïde quel équivalent d un solénoïde que l’on dispose dans les pièces polaires. p•Cet enroulement est branché en série avec l’induit, le sens de
l ice courant étant opposé à ce lui des brins actifs qu’il doit neutraliser
Bobines de compensation
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neutraliser.
Commutation : Phénomène
Induit + Collecteur en mouvement
Section en commutation
B l i fi
• le courant dans la section avant la commutation (i=I/2) et après la commutation (i=-I/2).
Balais fixes
Commutation idéale
l’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.Remarque: La commutation est inévitable. Elle est
inhérente au fonctionnement de la machine à mm
utat
ion
mm
utat
ion
elle
san
s ét
ince
lle
inhérente au fonctionnement de la machine à courant continu
28C
omC
om rée é
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Pôles de commutationCes pôles dont les axes sont sur la ligne• Ces pôles dont les axes sont sur la ligne neutre à vide
• sont étroits de même longueur que les
Ligne neutre
pôles principaux. • Leurs bobines magnétisantes, qui sont
en série avec l’induit comportent peu deen série avec l induit comportent peu de spires de forte section.
• pour induire dans la spire en court-i it f é i t li àcircuit une f.é.m. e qui neutralise, à
chaque instant cette tension de réactance (qui s’oppose à l’inversion du courant)
• Le pôle de commutation anticipe le pôle sous lequel va passer la section en
Section qui va commuter: Elle
passe du pôle (sud) sous lequel va passer la section en commutation
• Pour les petites puissances, les pôles d t ti t tili é i
au pôle (nord)
Le pôle de commutation va devancer le pôle principal pourde commutation sont utilisés aussi pour
la compensation de la RMI transversale. 29
devancer le pôle principal pour commencer l’inversion du
courant 2010-2011Mohamed ELLEUCH
Le STATOR : Machine de grande puissance (1)
Pôle de commutation
Bobines de compensation2010-2011 30Mohamed ELLEUCH
Le STATOR : Machine de grande puissance (2)
4 pôles inducteur4 bobines de commutation
Bobines de compensation2010-2011 31Mohamed ELLEUCH
• En général on suppose que la machine est parfaitement compensée:
Equations générales de fonctionnement
±
En général, on suppose que la machine est parfaitement compensée:
• La f.é.m. à vide entre balais:
±Φoo
• On néglige donc:En Charge : Moteur:
On néglige donc:• La chute eB
• La diminution du flux: (Φch ≈ Φo)
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Couple électromagnétique• force de la place
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Expression du couple
pjinducteuru.Ie
PFERi d itU
I
u.Ie induitU
IePa =
U.I + u.IePainduit =
U.I
Pem = Ech.I
= Cem.ΩPu =CU.Ω
ΩCu
Pjinduit = R.I2 pméca
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Mohamed ELLEUCH
Couple utile
Le couple moteur et le couple résistant satisfont:
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Bilan énergétique (Moteur)
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Problèmes posés par les moteurs
Au démarrage: Il faut limiter Id !!!
3) Les deux solutions combinées peuvent être utilisées en même temps :
Di iDiminuer Ud et insérer un rhéostat Rd.
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Problème d’emballementTension aux bornes de l’induit:
• Il faut donc protéger les moteurs à CC contre les it ti (F ibl fl !)sous-excitations (Faible flux!)
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Différents modes d’excitation
Excitation séparée ou indépendante Excitation shunt Aimant permanent
Excitation sérieExcitation composée
ou compound
392010-2011 Mohamed ELLEUCHLes moteurs DC qui restent en exploitation sont surtout l’excitation indépendante ou série
Moteurs série• induit et inducteur sont parcourus par le même• induit et inducteur sont parcourus par le même
courant I• Caractéristique de vitesse
Pour une tension donnée U, on obtient :Pour une tension donnée U, on obtient :
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Caractéristique mécaniqueΦ
I
AV. Sat
AP. Sat
412010-2011 Mohamed ELLEUCH
Couple Cem(N)P éli i ti d t d é ti i t• Par élimination du courant des équations suivantes:
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)
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« caractéristique série » : (vitesse varie beaucoup avec la charge).2010-2011 Mohamed ELLEUCH
gEtude du démarrage
• Ce couple fort de démarrage justifie l’utilisation du moteur série dans la traction électrique où l’on a besoin d’un démarrage (le plus rapide possible) après chaque arrêt dans une station donnée (vu le nombre d’arrêts sur une ligne!)
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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 pgénératrice à excitation indépendante :
• U>E: Fonctionnement moteur• U<E: Freinage (Fonctionnement Générateur)
L’énergie cinétique du moteur est restituée sous forme g qélectrique à la source U.
Condition:I
IG• Il faut que la source de tension soit réversible! IM
E• Sinon l’énergie cinétique du U
R
Sinon l énergie cinétique du moteur sera dissipée pendant le freinage dans un rhéostat
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Ieg
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Freinage Rhéostatique• Le freinage rhéostatique est possible mais il faut inverser
les connexions entre induit et inducteur en même temps qu’on sépare la machine de la source pour la brancherqu on sépare la machine de la source pour la brancher sur la résistance de débit.
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Universal machine(Moteur Universel) ( )
Approach for flux determination:
A phase shift applies for the armature currentApproach:
highest possible direct componentAssumes: cosρ ----> 1Assumes: cosρ ----> 1
and ρ ----> 0
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Voltage equation
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universal machine, speed characteristicpspeed characteristic
48universal machine, speed characteristic (AC, DC)2010-2011 Mohamed ELLEUCH
moteur à excitation indépendante
NN0
excitation séparée
I0
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pCouple
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Caractéristique mécaniqueC
excitation séparée
NNvide
Remarques :
La caractéristique mécanique du moteur est appelée caractéristique shunt puisque la vitesse varie peu avec la charge.
Par la variation de la tension U, la caractéristique mécanique se translate parallèlement à elle-même permettant de développer un couple donné à différentes vitesses.différentes vitesses.
Les différentes caractéristiques du moteur sont pratiquement linéaires. Ceci facilite la commande de ce moteur
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facilite la commande de ce moteur.2010-2011 Mohamed ELLEUCH
Caractéristiques du moteur à excitation indépendanteindépendante
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Freinage• si U devient inférieure à E, le courant s’inverse dans l’induit et
par suite le couple.
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Applications industrielles
• Le moteur série est essentiellement celui de la traction électrique C’est lui qui équipe actuellement destraction électrique. C est lui qui équipe actuellement des locomotives, ainsi que des rames automotrices (métro, T.G.V, etc …) et cela pour les raisons suivantes :) p
Il présente un couple de démarrage élevép 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)les montées, mais l augmentation du courant est limitée).
Il est robuste.
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Applications Industrielles
Le moteur à excitation indépendante se rencontre principalement avec son variateur de vitesse dans des équipements industriels (machines
til l i i ) ù l’ dé ioutils, laminoirs, pompes …), où 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 g
Pour fournir à ces moteurs la tension continue variable, on les équipePour fournir à ces moteurs la tension continue variable, on les équipe pratiquement toujours de convertisseurs électroniques (redresseurs ou hacheurs).
Seuls les convertisseurs réversibles permettent un fonctionnement dans les quatre quadrants.
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Fonctionnement 4 QuadrantsN
vitesse
12
vitessecouple
couple
moteur AVfreinage marche AV
Cmoteur AR
freinage marche AV
freinage marche AR
3 4
vitesse
couple couple
vitesse
couple couple
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Exemple : monte-chargep g
2010-2011 57Mohamed ELLEUCH
Montée = marche AV
Quadrant 1
Marche
vitesse
Marche Moteurpendant la
couplependant la montée
Quadrant 1
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Descente = marche AR
Quadrant 4
Freinage
vitesse
coupleFreinagependant la descentedescente
2010-2011 59Mohamed ELLEUCH
FIN•FINMachine à CourantMachine à Courant
ContinuContinu
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