Étude de la MACHINE A COURANT CONTINU

1. Étude de la MACHINE A COURANT CONTINU Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu

2. Plan de la présentation Introduction Constitution d’une MCC Le Stator Le Collecteur Le Rotor Modèles et caractéristiques d’une MCC Caractéristique Couple / Vitesse Réglage de la vitesse d’une MCC Détermination expérimentale des paramètres

3. Convertisseur Électromécanique ACTIONNEUR AGIR Énergie Mécanique Énergie Électrique Introduction CHAINE D’ENERGIE / INFORMATION

4. Introduction Les différents actionneurs électriques : MAS = Machine Asynchrone MS = Machine Synchrone MCC = Machine à Courant continu Les MCC ne sont plus utilisées en forte puissance, mais persistent en faible puissance (qqs W à qqs kW). Elles sont remplacées par des machines à courant alternatif (MAS ou MS). Application de la MCC : TGV Paris Sud-Est

5. Introduction Pourquoi alors l’étudier ? Son étude est importante, car sa commande est aisée et facile, et, les commandes modernes des machines à courant alternatif, tentent de s’approcher de celle d’une MCC. En effet, on a pour une MCC : Ω proportionnelle à U I proportionnel au couple Γ La majorité des actionneurs électriques sont aujourd’hui utilisés à vitesse variable, en asservissement de vitesse, de position ou de couple. Donc, la MCC s’adapte très bien à ces fonctionnements.

6. Constitution Les différents constituants : Stator ou Inducteur : Partie fixe Rotor ou Induit : Partie mobile Entrefer : Espace séparant le stator et le rotor

7. Constitution LE STATOR ou INDUCTEUR Rôle : Créer un champ magnétique fixe dans l’espace. Méthode : Bobinage parcouru par un courant continu iex ou par des aimants permanents. Le bobinage est placé sur un circuit magnétique feuilleté.

8. Constitution LE STATOR ou INDUCTEUR Circuit magnétique feuilleté Photographie rotor bobiné. Pôles principaux Pôles de compensation

9. Constitution LE ROTOR ou INDUIT C’est le lieu de la conversion électromécanique. Des conducteurs traversés par un courant I sont placés dans des encoches. Le rotor est composé d’un circuit magnétique feuilleté, ou sont placés des encoches recevant les conducteurs d’induit. Ces conducteurs traversés par un courant I sont soumis au champ magnétique Bex créé par l’inducteur, et donc soumis à une force de LAPLACE :

10. Constitution LE ROTOR ou INDUIT Afin d’obtenir un couple moyen non nul, il est nécessaire d’inverser périodiquement le courant dans les conducteurs d’induit. Le courant fourni par la source d’alimentation reste continu et constant. Animation C’est un des rôles du système balais-collecteur.

11. Lames du collecteur Ressorts de compression Conducteurs d’induit Balais en graphite Constitution LE COLLECTEUR Rôle : Permettre l’alimentation de l’induit (partie tournante) depuis l’extérieur et inverser périodiquement le courant dans les conducteurs . Méthode : Les conducteurs de l’induit sont raccordés à un mécanisme solidaire de l’induit où viennent frotter des balais. Fil d’alimentation d’induit

12. I I=0 I I I=0 I 1 2 3 Constitution LE COLLECTEUR Le système balais collecteur fonctionne comme un ONDULEUR DE COURANT.

13. R Bex θ Constitution Calcul de la force contre électromotrice induite aux bornes d’une bobine : Lorsqu’un conducteur est soumis à un champ magnétique, il apparaît une fcem à ces bornes, telle que : Avec Φ le flux embrasse par la bobine, tel que : Or, Bex est constant, donc : Longueur = profondeur = Lz

14. Constitution Calcul de la force contre électromotrice induite suite : Si cette spire tourne à la vitesse angulaire Ω, on a : Dans ces conditions, la fcem s’exprime par :

15. Constitution Étude du fonctionnement du système balais collecteur : Considérons une MCC à 2 spires : eAB Le système balais collecteur fonctionne comme un redresseur de fcem.

16. Constitution Ce fonctionnement se généralise pour N spires et plusieurs dizaines de lames composant le collecteur. La fcem vue du stator est donc composée de portions de sinusoïdes. En raison d’un grand nombres de lames sur le collecteur, la fcem vue du rotor se résume à sa valeur maximale, soit : En réalité, une MCC possède 2a voies d’enroulement et p paires de pôles, donc, la fcem s’exprime par : La fcem E est donc proportionnelle au flux créé par l’inducteur et à la vitesse angulaire. Dans le cas d’une MCC à aimants permanents, est constant, donc :

17. Constitution Lorsqu’un courant I circule dans l’induit, il a pour conséquence de créer un champ magnétique Bind appelé champ de réaction magnétique d’induit. Ce champ de réaction d’induit à pour conséquence de faire chuter le flux embrassé par les spires. On a donc : Pour compenser cette chute de flux, dans les machines de moyennes et de fortes puissances, des pôles de compensation magnétique sont placés entre les pôles inducteurs.

18. Constitution Machine à courant continu compensée : Une machine à courant continu est dite compensée, si le courant d’induit n’a pas d’effet sur la fcem. On a donc : C’est une hypothèse que l’on fait pour chaque étude.

19. Modèles de la MCC Expression du couple électromagnétique : L’expression du couple peut être obtenue par un bilan de puissance en fonctionnement MOTEUR. Pu Pabs Pe Pji Pfer Pmeca Pbalais L’expression du rendement d’une MCC en fonctionnement MOTEUR s’exprime par :

20. Modèles de la MCC En convention MOTEUR et pour une MCC à excitation indépendante, le modèle électrique est de la forme : En régime permanent, on néglige les effets des inductances L et Lex. Dans tous les cas, on néglige la chute de tension due aux balais (de l’ordre du volt comparativement à U≈centaines de volts)

21. Constitution La loi des mailles nous donne : La puissance absorbée par la MCC vaut donc : La puissance électromagnétique s’exprime donc par : Or : Donc : Le couple électromagnétique est donc proportionnel au flux créé par l’inducteur et au courant d’induit. Dans le cas d’une MCC à aimants permanents, ou lorsque le courant d’excitation est constant, est constant, donc :

22. Modèles de la MCC

23. Modèles de la MCC Caractéristique Couple / Vitesse : Le couple utile Γu s’exprime par : Soit dans ces conditions et pour une MCC à excitation séparée constante (ou à aimants permanents) : C’est l’équation d’une droite. Le point de fonctionnement est l’intersection des courbes Couple électromagnétique et Couple résistant.

24. Modèles de la MCC En fonctionnement moteur, on a en négligeant la chute de tension dans la résistance R : Le réglage de la vitesse se réalise donc par action sur la tension d’alimentation. La vitesse Ωmax est fixée par la tension d’alimentation nominale Unom, et s’exprime par :

25. Modèles de la MCC Lorsque le courant d’excitation n’est pas fixe, on a : REMARQUE : TOUJOURS S’ASSURER QUE L’INDUCTEUR EST ALIMENTE AVANT L’ALIMENTATION DE L’INDUIT. SINON LA MCC S’EMBALLE (Ω tend vers ∞) Il est donc aussi possible de régler la vitesse par action sur le courant d’excitation iex. On parle alors de DEFLUXAGE. La caractéristique Couple / Vitesse est donc une hyperbole ayant pour expression : La vitesse ΩMax est définie par les limites mécaniques de la MCC.

26. Modèles de la MCC Caractéristique Couple / Vitesse :

27. Modèles de la MCC Fonctionnement 4 quadrants : La MCC est une machine totalement réversible. Le courant qui la traverse et la tension à ces bornes peuvent être positifs ou négatifs. Γe≈ I U ≈ Ω

28. Modèles de la MCC Ces 4 quadrants peuvent être mis en évidence avec le fonctionnement de la locomotive : Pendant les phases génératrice, l’énergie électrique peut être dissipée dans une résistance, ou bien être refournit à la source d’alimentation.

29. Modèles de la MCC Si la MCC doit fonctionner dans un seul quadrant (1 ou 3), le CVS associé n’a pas besoin d’être réversible. Pont redresseur à diodes Montage hacheur série

30. Modèles de la MCC Si la MCC doit fonctionner dans les quadrants 1 et 4 (réversibilité en tension), le CVS associé doit disposer de cette réversibilité. Montage hacheur en pont réversible en tension Pont redresseur à thyristors

31. Modèles de la MCC Si la MCC doit fonctionner dans les 4 quadrants (réversibilité en tension et en courant), le CVS associé doit disposer de ces réversibilités. Pont redresseur à thyristors montés tête bêche Montage hacheur en pont complet

32. Identification des paramètres de la MCC Un modèle électrique d’une MCC s’écrit par : Dans le cas d’une MCC à aimants permanents, ou à excitation indépendante constante, elle se simplifie et s’écrit :

33. Identification des paramètres de la MCC Les paramètres électriques d’une MCC sont donc les constantes : Détermination de la résistance d’induit R : Problématique : Déterminer la résistance d’induit le plus précisément possible. - R dépend de la position du rotor ; - R dépend de la température. En effet, la résistance dépend de la position du collecteur sous les balais. De plus, la résistance dépend de la température selon la loi :

34. Identification des paramètres de la MCC Première méthode : Avec un ohmmètre. Seconde méthode : Méthode voltampèremetrique avec rotor bloqué. Si le rotor est bloqué, Ω=0, donc E=0, donc : Cet essai est réalisé sous tension d’induit U réduite. Cette méthode donne des résultats satisfaisants.

35. Identification des paramètres de la MCC Détermination de la constante de fcem K et de la résistance R: Problématique : Déterminer simultanément la résistance d’induit et la constante de fcem. On réalise 2 essais sous 2 tensions différentes U1 et U2. On mesure pour chacun de ces 2 essais l’intensité absorbé par la MCC et la vitesse de rotation angulaire. On obtient un système à 2 équations à 2 inconnues R et K. Pour s’affranchir de l’effet de la température sur la résistance d’induit, on peut alimenter le moteur pendant quelques minutes juste avant les 2 essais. Attention à la précision de vos mesures, pour ne pas trouver une résistance d’induit négative !!!!

36. iC(t) I’ I temps 0 αT T T+ αT Identification des paramètres de la MCC Détermination de l’inductance d’induit L : Problématique : Déterminer l’inductance d’induit le plus précisément possible. Méthode : On alimente l’induit de la MCC par un hacheur série, et on visualise l’allure du courant d’induit I. On se place en conduction continue du courant dans la MCC. Sinon, on rajoute une inductance parfaitement connue.

37. Dans le cours sur le hacheur, on a vu que l’ondulation du courant dans la charge, en conduction continue et si la fréquence de hachage est suffisamment élevée par rapport à la constante de temps , et s’exprime par : Identification des paramètres de la MCC Détermination de l’inductance d’induit L (suite) : Première exploitation : Ondulation du courant d’induit

38. Identification des paramètres de la MCC Seconde exploitation : Méthode de la pente On se place dans la phase de croissance du courant dans l’induit de la MCC, et on mesure la vitesse angulaire du rotor. La pente du courant est le coefficient directeur de cette droite, qui dépend de l’inductance L.