Machine à courant continu

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1 CI4 L mchine à cournt continu et s commnde Conversion électromécnique Mchine à cournt continu Contenu 1 HISTORIQU SYMBOLS CONSTITUTION MODL QUIVALNT LCTRIQU MCC A AIMANTS MCC A INDUCTUR BOBIN BILAN D PUISSANC (FONCTIONNMNT MOTUR) CONTROL D UN MCC QUADRANTS D FONCTIONNMNT RGLAG D LA VITSS RGLAG DU COUPL DIFFRNTS TYPS D MACHIN A COURANT CONTINU XCITATION INDPNDANT XCITATION PAR AIMANTS PRMANNTS XCITATION SRI : MOTUR UNIVRSL XCITATION PARALLL : MOTUR UNIVRSL... 7 Denis Guérin Pge 1 sur 7 TSI iffel Dijon

2 1 HISTORIQU CI4 L mchine à cournt continu et s commnde 1870 Bricoleur de génie et ébéniste chez l orfèvre Christofle, Zénobe Grmme ( ), près voir observé les fiblesses des mchines Allince de son employeur, met u point l première dynmo Industrielle. n 1871, il fonde l Société des mchines mgnétoélectriques Grmme vec son mi Hippolyte Fontine (qui découvert l réversibilité et permis le remplcement des mchines à vpeur pour l entrînemen rnst Werner Siemens développe un premier trmwy sur ril à Berlin (une locomotive, 3 petits wgons chcun chrgés de 6 personnes) L voiture électrique du belge Jentzy décroche le record du monde de vitesse et tteint les 105,9 km/h à Achères le 6 mi Son nom rester églement ssocié à l conception de plusieurs voitures électriques ou mixtes ( pétroléo-électriques). Au cours du XXe siècle, l mchine à cournt continu est restée incontournble dns de nombreuses pplictions : L trction qui demnde un fort couple à très bsse vitesse, Le domine de l vitesse vrible, Les systèmes embrqués limentés pr btteries. Actuellement, l mchine à cournt continu tend à être remplcée pr des mchines lterntives, (elle qusiment dispru des entrinements de forte puissnce, suf en remplcement dns une instlltion existnte), mis elle reste présente dns les petites puissnces et l robotique : elle est pr exemple très utilisée en utomobile, pour des ctionneurs enfouis (climtistion, sièges, rétroviseurs ). Denis Guérin Pge 2 sur 7 TSI iffel Dijon

3 CI4 L mchine à cournt continu et s commnde 2 SYMBOLS M inducteur bobiné imnt inducteur MCC à inducteur bobiné MCC à imnt permnent Fonction Dns l chîne d énergie, l mchine à cournt continu ssure l fonction CONVRTIR (l énergie chnge de nture). Chîne d énergie électrique Mtière d œuvre en entrée sources d énergie ALIMNTR Unité d limenttion... MODULR Modulteur CONVRTIR Mchine électrique TRANSMTTR Adptteur AGIR P e =U.I U Tension I Cournt CONVRTIR MCC P s =C.Ω C Couple Ω Vitesse ngulire C est un convertisseur électromécnique réversible Pour que l réversibilité soit utilisble, il fut que toute l chîne d énergie soit réversible. 3 CONSTITUTION L MCC comprend : un circuit mgnétique comportnt une prtie fixe, le sttor, une prtie tournnt, le rotor et l entrefer l espce entre les deux prties. une source de chmp mgnétique nommée l inducteur (le sttor) crée pr un bobinge ou des imnts permnents un circuit électrique induit (le rotor) subit les effets de ce chmp mgnétiques le collecteur et les blis permettent d ccéder u circuit électrique rotorique Denis Guérin Pge 3 sur 7 TSI iffel Dijon

4 CI4 L mchine à cournt continu et s commnde 4 MODL QUIVALNT LCTRIQU 4.1 MCC à imnts Pour une mchine à imnts permnents, le flux Φ du chmp mgnétique inducteur est constnt. L induit d une MCC étnt constitué d un bobinge fixé sur un circuit mgnétique en mouvement dns un chmp mgnétique, le modèle comporte : L résistnce du bobinge d induit R. L inductnce du bobinge d induit L. Dès que l mchine est en rottion, une force électromotrice. u ( i ( R L QUATIONS LCTRIQUS (pr l loi des milles) di U ( R. I( L. d R / S QUATION MCANIQU (pr le PFD, Principe Fondmentl de l Dynmique) J Tem T ( r( QUATIONS D COUPLAG LCTROMCANIQU Deux reltions de couplge électromécnique interviennent entre les reltions électriques et les reltions mécniques u niveu de l entrefer. Force électromotrice (FM) K. R / S (K en V.s) Couple électromgnétique T K. I em (K en Nm/A) Symbole unité description U (V) Tension d limenttion de l induit de l mchine à cournt continu I (A) Intensité du cournt électrique bsorbé pr l mchine R (Ω) Résistnce du bobinge de l induit L (H) Inductnce du bobinge de l induit (V) f.e.m force électromotrice (Loi de Frdy, réction de l induit u chmp mgnétique de l inducteur) T em (N. m) Couple électromgnétique de l mchine (ction du sttor sur le rotor) T u (N. m) Couple utile de l mchine T r (N. m) Couple résistnt u niveu de l entrefer de l mchine T R = T u + T p T p (N. m) Couple de perte de l mchine J (kg. m 2 ) Inertie équivlente du rotor et de l chrge mécnique Ω R S (rd/s) vitesse ngulire de l mchine K Constnte de couple (Nm/A) ou Constnte de fem (V/rd/s) τ e (s) Constnte de temps électrique τ e = L R τ em (s) Constnte de temps électromécnique τ em = R.J k 2 Denis Guérin Pge 4 sur 7 TSI iffel Dijon

5 CI4 L mchine à cournt continu et s commnde 4.2 MCC à inducteur bobiné inducteur, s il est bobiné, se modélise pr une résistnce R e une inductnce L e. Comme il est immobile dns le chmp, il n y ps de fem induite. i ( R QUATIONS LCTRIQUS U ( R. I( L. di u ( L I e( Ue R. I QUATION MCANIQU e e die Le R e L e Ue( J d R / S T em ( T p( T u( QUATIONS D COUPLAG LCTROMCANIQU Les deux reltions de couplge électromécnique font pprître l vleur du flux Φ comme prmètre. Force électromotrice (FM) K.. R / S T em K.. Avec Ω R S vitesse de rottion du rotor, K constnte de construction de l mchine et Φ flux inducteur. Couple électromgnétique I 5 BILAN D PUISSANC (FONCTIONNMNT MOTUR) Biln de puissnce en fonctionnement MOTUR entrefer Pb P em P u P j P m Symbole expression description P b P binduit = U. I n entrée l puissnce bsorbée est de nture électrique. P em P u P binducteur = U e. I e P em =. I = T em. Ω R S Dns le cs où l mchine à cournt continu n est ps à imnts permnents, l inducteur est bobiné et trversé pr un cournt d excittion I e. Dns l entrefer, l puissnce trnsférée du sttor u rotor est de nture électromgnétique. lle s exprime sous forme mécnique et électrique. P u = T u. Ω R S n sortie, l puissnce utile est de nture mécnique. P j P j = R. I 2 (+R e. I e 2 ) P m Puissnce perdue de nture clorifique (pertes joules) qui s exprime sous forme électrique. P m = T p. Ω R S Puissnce perdue de nture mécnique. Denis Guérin Pge 5 sur 7 TSI iffel Dijon

6 CI4 L mchine à cournt continu et s commnde 6 CONTROL D UN MCC 6.1 Qudrnts de fonctionnement Conventionnellement lorsque L fem et le cournt d induit moyen <I > sont positifs, l mchine fonctionne dns le premier qudrnt en mode moteur. L inversion d un de ces deux termes permet d obtenir un mode générteur (Qudrnts 2 ou 4). L inversion simultnée des 2 termes permet d obtenir un fonctionnement moteur vec un sens de rottion inversé (Qudrnt 3). Le fonctionnement en mode générteur nécessite une chrge mécnique entrînnte soit : ponctuellement pr restitution d énergie cinétique ou potentielle lors respectivement d un freinge ou de l descente d une chrge mécnique (levge). n permnence lors d un entrînement pr un couple moteur extérieur (éolienne, turbine ). L ccès à ces différents points de fonctionnements dépend fortement de l électronique de puissnce (hcheur) et de contrôle qui sont ssociées à l MCC. 6.2 Réglge de l vitesse xpression de l vitesse L'expression de l vitesse du moteur est obtenue à prtir de l reltion donnnt s f.e.m. K.. / S et de l loi des milles en convention récepteur. R R / S U R. I K. Les prmètres gissnt sur l vitesse du moteur sont donc : - L tension d'limenttion de l'induit, - Le flux d'excittion de l mchine, Le terme R I étnt petit devnt U, le cournt I influence peu l vitesse Réglge pr l tension d'induit L'ction sur l tension U n'ffecte ps le couple électromgnétique ( T K.. I si on néglige l'influence le terme R.I devnt U, on constte que l vitesse est proportionnelle à l tension d'limenttion de l'induit. Le mode de réglge de l vitesse est à COUPL CONSTANT ) et Réglge pr le flux (défluxge) L étude des reltions donnnt le couple ( T K.. I ) et l vitesse ( R / S U R. I K. vitesse (qund diminue) est obtenue u détriment du couple qui bisse dns les mêmes proportions. Le mode de réglge de l vitesse est à PUISSANC CONSTANT ) montre que l'ugmenttion de 6.3 réglge du couple L mchine à cournt continu reste commndée pr l tension d induit mis l strtégie de pilotge est déterminée pr le cournt. Pr exemple, pour mintenir le couple constnt sur une chrge, on mesure le cournt de l induit et on construit une commnde qui permet de mintenir cette vleur constnte. L commnde v élborer l vleur de l tension d induit nécessire à cette strtégie. Denis Guérin Pge 6 sur 7 TSI iffel Dijon

7 7 DIFFRNTS TYPS D MACHIN A COURANT CONTINU Les mchines à cournt continu sont clssées pr le moyen utilisé pour créer le chmp inducteur. CI4 L mchine à cournt continu et s commnde 7.1 xcittion indépendnte Ie I Ue M U L'inducteur est limenté pr une source indépendnte. Grnde souplesse de commnde. Utilisé en milieu industriel, ssocié vec un vriteur électronique de vitesse et surtout sous l forme moteur d'sservissement. Lrge gmme de vitesse. Mchines outils : Moteur de broche, d'xe. 7.2 xcittion pr imnts permnents On retrouve les crctéristiques de l excittion indépendnte sns ction possible sur le flux. Les mchines ne pourront ps dépsser l vitesse limite fixée pr l tension d limenttion mximle. D.T. Le développement de l technologie des imnts permis l rélistion de mchines de quelques mw à quelques kw. 7.3 xcittion série : moteur universel I Rs M U U Démrrge fréquent vec couple élevé; couple diminunt vec l vitesse. Trction ferroviire, plns, ponts roulnts, ventilteurs, pompes centrifuges. Pouvnt être limenté en cournt lterntif, il sert à entrîner les ppreils électroméngers pour lesquels une grnde vitesse est requise (moulin à cfé, spirteur, perceuse...). 7.4 xcittion prllèle : moteur universel M U L mise en prllèle des 2 enroulements permet d limenter une MCC sous tension lterntive. Il s git lors d un moteur universel. donne toujours le même signe pour le couple donc le sens de rottion. Il suffit de feuilleter le circuit mgnétique pour réduire les pertes fer de cette mchine. lectroménger, outillge porttif Denis Guérin Pge 7 sur 7 TSI iffel Dijon