La machine à courant continu

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1 La machine à courant continu 1

2 Généralités Historique : 1ere machine industrielle de l histoire Utilisation principalement en moteur de toute puissance (Commande et Vitesse variable simple). => tendance à être remplacée progressivement par des MS à Aimants «Brushless». Utilisation en générateur en perte de vitesse :Rôle mineur (n est plus concurrentiel devant des systèmes de type source alternative+redresseur). Niveau de Maintenance élevé (machine à balais). Problème de CEM. 2

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4 PRINCIPE Un stator Inducteur : C est essentiellement un électroaimant ou un aimant permanent => Objectif : créer un champ d excitation dans la machine 4

5 Un rotor : Induit Paquet de tôles cylindriques dans lequel sont découpées des encoches qui portent un bobinage polyphasé. Chaque phase de ce bobinage est relié à des lames de cuivre (collecteur) sur lesquelles viennent frotter des balais qui permettent d alimenter la machine 5

6 Induit Inducteur 6

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9 Machines complètes 9

10 Moteur cc de laminoir fourni en 1915, modernisé en 1955 et toujours en service. 10

11 Moteur CC avec un couple de 11 MNm 11

12 Moteur cc de laminoir couple max : 2500kNm à 50 tr/min de

13 Moyeu soudé de l induit 13

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15 Principe de fonctionnement 15

16 f.é.m. induite (FLUX COUPE φc) 16

17 Flux magnétique à travers une spire B N ω S 17

18 B Flux maximum θ = 90 (par exemple) 18

19 B 19

20 B 20

21 B Flux nul θ = 0 et φc = 0 Le flux coupé φc dépend de la position angulaire de la spire. 21

22 Principe : Machine élémentaire à induit à 1 spire On considère 1 spire qui tourne dans un électroaimant alimenté en continu (B=constante) 22

23 La machine se comporte comme un redresseur mécanique Génération d une tension à composante continue Lors de la commutation (passage d une lame à l autre) la fem est nulle (les conducteurs sont dans la Ligne de neutre ) 23

24 E TENSION DE SORTIE AVEC PLUSIEURS SPIRES t 0 t Les balais sont toujours placés à l endroit de tension maximale Lorsque l on passe d une lame à l autre la tension est nulle 24

25 I F = Il B Si on fait circuler un courant dans l induit => on obtient un couple qui est toujours dans le même sens. 25

26 VOIES D ENROULEMENT 26

27 Ligne neutre 1 4 N S 4 27

28 B + B B t B 28

29 B + B B t+ t B 29

30 B + B B t+2 t B 30

31 B + B B t+3 t B 31

32 B + B B t+4 t B 32

33 B + B B t+5 t B 33

34 En moteur + B M

35 Noyau de fer statorique Ligne de champ inducteur B C M Bobine inductrice 35

36 Évolution de B et M en rotation B Ω M 36

37 Ω 37

38 Ω 38

39 Ω 39

40 Ω 40

41 Ω 41

42 Ω 42

43 Ω 43

44 Ω 44

45 Ω 45

46 L amplitude de B est commandée par le courant d induit traversant le rotor (B= k I) et l amplitude de M par le courant inducteur. La commande du couple est donc très aisée mais la machine est de structure complexe. Une simple régulation de courant permet de contrôler le couple. Pour avoir B pratiquement perpendiculaire à M pendant toute la rotation est ainsi avoir un couple instantané constant, il faut : Augmenter le nombre d encoches. 46

47 CONSTITUTION 47

48 Le rotor 48

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50 50

51 51

52 52

53 Les portes balais 53

54 54

55 LES BOBINAGES 55

56 Enroulements imbriqués et ondulés On distingue les enroulements imbriqués et ondulés comme explicité sur les schémas ci-dessous du développement partiel d un rotor qui montre comment les spires sont raccordées aux lames du collecteur. 56

57 Faisceaux et section Un faisceau est composé de conducteurs bouclés plusieurs fois dans les mêmes encoches pour augmenter la longueur équivalente. Une section (qui ressemble à des spires concentriques, comme pour une bobine) est composée de deux faisceaux. 57

58 Réaction magnétique de l induit 58

59 Lignes de champ dues à l inducteur + N S - 59

60 + N Courant dans les spires - S 60

61 Lignes de champ dues au rotor + N S - 61

62 Lignes de champ dues au rotor + N Brotor S - 62

63 Déformation du champ résultant + N S - 63

64 Déformation du champ résultant, donc : 1ère Solution :décalage de la ligne neutre. Saturation de certaines cornes de l inducteur réduction du flux par pôle Au total : réduction du flux embrassé par bobinage. Problème de commutation : la densité d induction niveau des conducteurs perpendiculaire à l axe l inducteur n est plus nulle le au de dφ E= = L(V B ) 0 dt coupé 64

65 LIGNES DE CHAMP DANS UNE MCC A EXCITATION BOBINEE 65

66 Comment vaincre la réaction magnétique d induit Il faut compenser la machine. (on retrouve le flux inducteur maximum) Il faut introduire des pôles d aide à la commutation => on annule localement la composante radiale du champ autour de la ligne de neutre. 4 bobines de commutation 4 pôles inducteur Bobines de compensation 66

67 + N S 67

68 + N S 68

69 Bobines de compensation 69

70 Lors du passage de la ligne neutre une section est mise en courtcircuit par un balai. Pendant ce court-circuit, le courant doit s inverser. Les pôles auxiliaires de commutation, placés dans l axe interpolaire des pôles principaux, doivent accélérer l inversion de courant afin de limiter les arcs électriques, sur les lames de collecteur, qui réduisent sa durée de vie. 70

71 Pôle de commutation 71

72 72

73 Caractéristiques à vide V A Ie moteur Ω0 73

74 Caractéristiques à vide E saturation E(Ω 0,Ie) Fonction linéaire E = h. Ω 0.Ie Er Ie 74

75 Étude en charge (I 0) Couple électromagnétique + I Fe N N S Ce= Fe x r Fe - 75

76 La machine à courant continu est soit : une f.é.m. = génératrice + + récepteur I moteur entraînant la mcc 76

77 soit une f.c.é.m. = moteur + I + générateur 77

78 Les différents modes d excitation de la machine à courant continu 78

79 Machine à excitation séparée : U If 79

80 Machine à excitation shunt : Iinduit U If 80

81 Machine à excitation série : If = Iinduit U 81

82 Machine à excitation compound : Inducteur série U Inducteur parallèle If 82

83 Machine à aimants permanents I U 83

84 SERVO-MOTEUR A ENTREFER PLAN 84

85 85

86 Comparaison de différents type de MCC Type de moteur Avantages Inconvénients Excitation série Fort couple au démarrage Vitesse variable Robustesse => Moteur de traction ferroviaire Risque d emballement à vide Excitation indépendante Commande en tension Vitesse variable + fragile que le moteur série : enroulement inducteur faible courant Rem : Ce problème ne se pose pas dans le cas des MCC à aimants mais on ne peut pas régler l excitation dans ce cas Excitation shunt Applications à vitesse constante ( excitation indépendante avec U et If constant) Moins apte à la variation de vitesse que la MCC à Excitation indépendante Excitation compound En désuétude Moteurs monophasés à collecteur Moteurs à excitation série alimentée en tension alternative => petit électroménager ( ce ne sont pas des MCC mais leur constitution est 86 semblable) => même problèmes de maintenance

87 Les quadrants de fonctionnement 87

88 freinage marche AV 2 vitesse couple Freinage/ génératrice moteur marche ΑR 3 vitesse couple Ν moteur marche AV 1 moteur vitesse couple Χ freinage marche ΑR 4 vitesse couple 88

89 ALIMENTATION ELECTRIQUE 89

90 POLLUTION HARMONIQUE DES DIFFERENTS REDRESSEURS COMMANDES D ALIMENTATION 90

91 91

92 Avec bobine infinie 92

93 93

94 94

95 Augmentation de la fréquence de l ondulation par association 95

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98 Remplacement progressif pour le même type d application par des Machines Alternatives (MS ou MAs) 98

99 Remplacement progressif pour le même type d application par des Machines Alternatives (MS ou MAs) 99

100 ENTRETIEN Maintenance périodique toutes les deux mille à cinq mille heures --> blocage de l activité de la machine. (5000 h= 208 jours plein= 833 jours à 6h/jour ). Il faut du personnel mais est ce toujours un problème?...d autant que les pièces sont peu coûteuses. Dépoussiérage périodique ( ~ 100 à 200 H) Différentes opérations à effectuer plus ou moins régulièrement dépoussiérage complet pour éliminer le charbon (risques d incendie) ; changement des charbons et usinage du collecteur ; graissage ; nettoyage des filtres à air. Coût d achat élevé pour la machine mais faible pour le variateur SOLUTION ALTERNATIVE Remplacer une MCC existante par un système à courant alternatif? Installer un système avec MCC : peu probable en Europe. 100

101 Conclusion - Une machine facile à commander en vitesse variable (motorisation) - Une gamme de puissance et d application importante - Évolution de l Électronique de puissance => perte de vitesse au profit des machines alternatives (MS ou MAS) - Une constitution complexe => un niveau de maintenance élevé 101