electrotechnique: electricité avion,meteosat.pessac.free.fr/.../02...photosmcc_equat.pdfmcc type de...
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Electrotechnique:Electricité Avion,
La machine à Courant ContinuDr Franck Cazaurang, Maître de conférences,
Denis Michaud, Agrégé génie Electrique,
Institut de Maintenance AéronautiqueUFR de Physique, Université Bordeaux I
TSMCC
MCC:Le Moteur à
courant continu
MCC:Le Moteur à
courant continu
Sommaire: MCC
• Fonctionnel Mcc
• Fonctionnement Machine à Courant Continiu
• Description interne
• Mécanique...
• Les relations
• L’excitation
• Bilan de puissance
• Caractéristiques
• Exemple de MCC
• Moteur / Génératrice
• Commande
• Commande par pont
• Photos: inducteur + MCC
• Rappel des caractéristiques électro-mécaniques
• Les modes d’excitation de la MCC
TSMCC
GND
0 164 8 12
- +
0 164 8 12
- +MCC12 V
TS
Fonctionnel
MCC
CONVERTIONELECTRIQUE
→MECANIQUE
CONVERTIONELECTRIQUE
→→MECANIQUE
EnergieElectrique
Rotation
TS
Fonctionnement
MCC
N
S
Alimentation
I
F
F
TS
Fonctionnement
MCC
Alimentation
N
S
I
F
FFrottemententre balaiset collecteur
TS
Fonctionnement
MCC
Alimentation
N
S
IF
F
Frottemententre balaiset collecteur
TS
Description interne
MCC
N S
Stator
StatorEnroulements d’inducteurSi le moteur est àaimant permanent, ces enroulements n’existent pas.
Rotor
Enroulements d’induit
Description interne
MCC
N S
TS
SN
Description interne
MCC TS
Parties tournantes :
Mécanique...
MCC TS
Ω (rd/s) = n (tr/mn) ×60π2
Vitesse de rotation :Vitesse de rotation :
Moments de force :Moments de force :
Puissance :Puissance :Putile (en Watt) = T (en N.m) × Ω (rd/s)
A l’équilibre, M1 = M2 ⇒ |F1| = |F2| ×OA'OB'
BB
F1
F2A
OA’ BB’’
Si flux constant : K × ϕ = Kϕ
E = Kϕ × ΩT = Kϕ × I
Les relations
MCC TS
femfem : : E = K × ϕ × Ω
Vitesse
FluxE (V)
Couple : Couple : T = K × ϕ × ID’où : T × Ω = E × I
Les relations
MCC TS
CôtCôtéé éélectrique :lectrique :
CôtCôtéé mméécanique :canique :
J×dtΩ(t)d
= T(t)T(t) = TM(t) - TR(t)
ΩJ T
U
IL R
EU
Iu(t) =
e(t) + R.i(t) + L dti(t)d
Les relations
MCC TS
En régime permanent :
dtd = 0
Les relations
MCC TS
RUconstant
I
EU = E + R.I
CôtCôtéé mméécanique :canique :
J×dtΩ(t)d
= 0 = T(t)TM(t) = TR(t)
Ωconstant
J T
CôtCôtéé éélectrique :lectrique :
L’excitation
MCC TS
Soit à aimant permanentN SFlux constant :
K × ϕ = Kϕ E = Kϕ × Ω T = Kϕ × I
Soit à excitation indépendante :Flux constant si Ie constant :K × ϕ = Kϕ E = Kϕ × Ω T = Kϕ × I
Soit à excitation série :
U
R
E
r
Inducteur
Induit
I
U = (r + R) I + E
E = K × ϕ(I) × Ω
T = K × ϕ (I) × I
R.I²
Pje
EI
Pm et Pf
Pu
TS
Bilan de puissance
MCC
U.IInduit
Ue.IeInducteur
EIPuissance
électromagnétique utile
Tu.ΩPuissance
utile
Puissance àfournir η = Pfournie
Putile = UIPje +Ω.Tu
I0
Ω0 A videA vide
TS
Caractéristiques
MCC
In
Ωn En chargeEn charge
Ω
IΩ = f(I)
Td
Au dAu déémarragemarrage
Point de fonctionnementPoint de fonctionnement
Ω0
Tr,constant
Ωp
TpΩ
T
Charge
MoteurT = f(Ω)
Pour le fonctionnement nominal(en charge nominale) :• La tension nominale d’alimentation• La vitesse nominale Ωn• Le couple nominal • Le courant nominal
Pour un fonctionnement à vide :• Le courant à vide • La vitesse à vide
Pour le démarrage :• Le couple minimal de démarrage• Le courant maximal supportable
Ils précisent aussi :• La résistance d’induit• La valeur de l’inductance d’induit• Le moment d’inertie du rotor• La constante de couple (Kϕ)
TS
Exemple de MCC
2
2722
5,6
Type de Moteur MK72 320 MK72 360Tension nominale 5,5 V 7,5 VVitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mnVitesse en charge nom. 2400 tr/mn 2400 tr/mnCouple de démarrage min. 4,1 mNm 4,4 mNmCouple minimal 1 mNm 1,3 mNmCourant à vide maximal 34 mA 27 mACourant en charge 71à 100 mA 69 à 98 mATension induite (fem/tr/mn)(mV/tr/mn)
1,53 à 1,98 1,91 à 2,45
Résistance du rotor 16 Ω 25,6 ΩInductance du rotor 16 mH 27 mHMoment d’inertie 9 gcm2 9 gcm2
Constante de tempsmécanique
34 ms 34 ms
Force radiale max. 2,5 N 2,5 NTension maximale 8 V 14 VCouple maximale 2 mNm 2 mNmCourant maximal 150 mA 120 mAVitesse maximale 4200 tr/mn 4200 tr/mn
MCC
Ω0ΩN
Ω0 TS
Exemple de MCC
L REU
Ω
I
Tr,
Ωp Ω
T
I
I0 IN
TpJ
MCC
Type de Moteur MK72 320 MK72 360Tension nominale 5,5 V 7,5 VVitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mnVitesse en charge nom. 2400 tr/mn 2400 tr/mnCouple de démarrage min. 4,1 mNm 4,4 mNmCouple minimal 1 mNm 1,3 mNmCourant à vide maximal 34 mA 27 mACourant en charge 71à 100 mA 69 à 98 mATension induite (fem/tr/mn)(mV/tr/mn)
1,53 à 1,98 1,91 à 2,45
Résistance du rotor 16 Ω 25,6 ΩInductance du rotor 16 mH 27 mHMoment d’inertie 9 gcm2 9 gcm2
Constante de tempsmécanique
34 ms 34 ms
Force radiale max. 2,5 N 2,5 NTension maximale 8 V 14 VCouple maximale 2 mNm 2 mNmCourant maximal 150 mA 120 mAVitesse maximale 4200 tr/mn 4200 tr/mn
TS
Moteur / Génératrice
MCC
T = Kϕ.IT > 0
T = Kϕ.IT < 0
Ω = Kϕ.EΩ > 0
Ω = Kϕ.EΩ < 0
Quadrant 1 :Fonctionnement moteur
Quadrant 3 :Fonctionnement
moteur
Quadrant 4 :Fonctionnement
génératrice
Quadrant 2 :Fonctionnement génératrice
U> 0
I
U> 0
I
U< 0
U< 0
I
I
TS
Commande
MCC
M
ValimIdIdééee SolutionSolution
M
Valim
RbVe
TS
Commande
MCC
M
Valim
Rb
VeVce
IM
100 V
Ve
IM
Vce
t
t
t
TS
Commande
MCC
SolutionSolution
M
Valim
Rb
Ve
VeVce
IM
Id
Id
t
t
t
t
IM
Vce
TS
Commande
MCC
M
Valim
Rb
Ve
UM
t
UM
Ve
Tt0
Valim - VCEsat
VF
TS
Commande
MCC
Valim
Rb
Ve
UM
t
VM
E = <UM> + <UR> + <UL>
Ve
Tt0
E ≈ <UM>E = Valim.t0 / T E = Valim.α
Valim
On peut faire donc faire varier la vitesse du moteur (Ω = E/ Kϕ ) enfaisant varier le rapport cyclique
E
UM M
TS
Commande
MCC
Ve t
t
tIC
Vce
Valim
Rb
Ve
M
IC
Vce
!Vérifier
Puissance,Température
TS
Commande
MCC
Commentinverser le
sens derotation ?
Valim
Rb
Ve
IC
Vce
Tourner le
moteur !MM
MM
Problème : Obligation de modifier le montage
TS
Commande par pont
MCC
T = Kϕ.IT > 0
T = Kϕ.IT < 0
Ω = Kϕ.EΩ > 0
Ω = Kϕ.EΩ < 0
Quadrant 1 :Fonctionnement moteur
Quadrant 3 :Fonctionnement
moteur
E
I
E
I
Vcc
M
UM
I
TS
Commande par pont
MCC
T = Kϕ.IT > 0
T = Kϕ.IT < 0
Ω = Kϕ.EΩ > 0
Ω = Kϕ.EΩ < 0
Quadrant 1 :Fonctionnement moteur
Quadrant 3 :Fonctionnement
moteur
E
I
E
I
Vcc
M
UM
I
TS
Commande par pont
MCC
T = Kϕ.IT > 0
T = Kϕ.IT < 0
Ω = Kϕ.EΩ > 0
Ω = Kϕ.EΩ < 0
Quadrant 1 :Fonctionnement moteur
Quadrant 3 :Fonctionnement
moteur
E
I
E
I
Vcc
M
TS
Commande par pont
MCC
Vcc
M
Réalisation
UM
I
TS
Commande par pont
MCC
Vcc
M
UM
I
TS
Commande par pont
MCC
Vcc
M
TS
Commande par pont
MCC
Vcc
M
Rm.IM
Mesure du courant :
Mesurede
courant
Mesurede
courant
Rm.IM
IM
Comparaison
Rm.IM > Umax ?
Comparaison
Rm.IM > Umax ?
Rm.IM Umax
Mise à l’arrêt dumoteur
si Rm.IM > Umax
Mise à l’arrêt dumoteur
si Rm.IM > Umax
TS
Commande par pont
MCC
_
+
_
+_
+
_
+
Ref.
CO1,5 nF
RO15 kΩ
VR=8V
Rs1 Rs2
T1
T2
T3
T4
Comp.ALI 1ALI 2
OTAL 292
Ve
VccC
47 nFR
22 kΩ
6
7 9 5 3 2 14
115
11 10 8
Oscill.
M
Composant decommande
Synthèse:
Machine à Courant Continu : MCCMCC
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 auxiliairesaméliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit.
Vue en coupe
Boîte à bornes
VentilateurInduit bobiné Inducteur
Balais
Collecteur
Pour imprimer
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 auxiliairesaméliore 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.
BalaisLes 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.
Pour archiver….
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
3
4
Equations de fonctionnement
RR LR L Ei
U
R L E
EdtdiLRiU ++=
E=k…
Mi
Uie
CeΩ
Cr
J
Mi
Uie
CemΩ
Mi
Uie
Cem= k…
Cem= k i…
Cem= k i Φe
dtdJCrCem Ω=−
E=k Ω …
E=k ΩΦe
Attention! Les séquences qui suivent sont sonorisées.
Equations de fonctionnementEn résumé:
i
Uie
CeΩ
Cr
J
RLE
Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont :
1°)
2°) E=k ΩΦe
3°) Cem= k i Φe
4°)
EdtdiLRiU ++=
dtdJCrCem Ω=−
Caractéristiques électro-mécaniquesDans un problème de motorisation, la charge entraînée impose au moteur de développer un couple
électromagnétique Cem et une vitesse Ω adaptés aux nécessités de fonctionnement.
Il est donc nécessaire pour un moteur donné, de définir l’ensemble des points de fonctionnement atteignables.
CemIkCem Φ=
Ω
Φ−=Ω k
RIU
KICem =
CemKR
KU 2−=Ω
Avec K= k Φnominal
Dans la pratique, on maximise le couple Cem par ampère en donnant au flux d’excitation sa valeur nominale, soit Φ= Φnominal.
Caractéristiques électro-mécaniquesCem
Ω
In
-In
Cem=KInUn-Un
Un domaine fermé définit l’ensemble des couples ( Cem, Ω ) possibles pour une machine donnée.
Ω−= RK
nURKCem
2
Question :
Quelle est la nature du fonctionnement correspondant aux quatre points d’intersection des droites limites ?
Un
Excitation des MCC