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1 Electrotechnique: Electricité Avion, La machine à Courant Continu Dr Franck Cazaurang, Maître de conférences, Denis Michaud, Agrégé génie Electrique, Institut de Maintenance Aéronautique UFR de Physique, Université Bordeaux I

2 : Le Moteur à courant continu

3 Sommaire: Fonctionnel Mcc Fonctionnement Machine à Courant Continiu Description interne Mécanique... Les relations L excitation Bilan de puissance Caractéristiques Exemple de Moteur / Génératrice Commande Commande par pont Photos: inducteur + Rappel des caractéristiques électro-mécaniques Les modes d excitation de la

4 Fonctionnel GND V Energie Electrique CONVERTION ELECTRIQUE MECANIQUE Rotation

5 Fonctionnement F N I S F Alimentation

6 Fonctionnement F N I S F Frottement entre balais et collecteur Alimentation

7 Fonctionnement N F F I S Frottement entre balais et collecteur Alimentation

8 Description interne Stator N Enroulements d induit S Enroulements d inducteur Si le moteur est à aimant permanent, ces enroulements n existent pas. Stator Rotor

9 Description interne N S N S

10 Description interne Parties tournantes :

11 Vitesse de rotation : Mécanique... 2 π Ω (rd/s) = n (tr/mn) 60 Moments de force : OB' A l équilibre, M1 = M2 F1 = F2 OA' F1 A A O B Puissance : Putile (en Watt) = T (en N.m) Ω (rd/s) B F2

12 Les relations fem : E = K ϕ Ω Flux Vitesse E (V) Couple : T = K ϕ I D où : T Ω = E I Si flux constant : K ϕ = K ϕ E = K ϕ Ω T = K ϕ I

13 Côté électrique : Les relations I u(t) = di(t) e(t) + R.i(t) + L dt L U R E Côté mécanique : d Ω(t) Ω J dt = T(t) T(t) = T M (t) - T R (t) J T

14 Les relations En régime permanent : d = 0 dt

15 Les relations Côté électrique : I U = E + R.I U constant R E Côté mécanique : J d Ω(t) dt = 0 = T(t) T M (t) = T R (t) Ω constant J T

16 L excitation Soit à aimant permanent Flux constant : K ϕ = K ϕ E = K ϕ Ω T = K ϕ I Soit à excitation indépendante : Flux constant si Ie constant : K ϕ = K ϕ E = K ϕ Ω T = K ϕ I Soit à excitation série : N S r R I E = K ϕ(i) Ω T = K ϕ (I) I U Inducteur Induit E U = (r + R) I + E

17 R.I² Bilan de puissance Pm et Pf U.I Induit EI EI Puissance électromagnétique utile Pu Tu.Ω Puissance utile Ue.Ie Inducteur Pje Puissance à fournir η Putile = Pfournie = Tu.Ω Pje + UI

18 Ω 0 Ωn T Td Ω I 0 Ω = f(i) T = f(ω) Tp Tr,constant In I A vide Caractéristiques En charge Point de fonctionnement ΩpΩ0 Au démarraged Moteur Ω Charge 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)

19 Exemple de Type de Moteur MK MK Tension nominale 5,5 V 7,5 V Vitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mn Vitesse en charge nom tr/mn 2400 tr/mn Couple de démarrage min. 4,1 mnm 4,4 mnm Couple minimal 1 mnm 1,3 mnm Courant à vide maximal 34 ma 27 ma Courant en charge 71à 100 ma 69 à 98 ma Tension induite (fem/tr/mn) 1,53 à 1,98 1,91 à 2,45 (mv/tr/mn) Résistance du rotor 16 Ω 25,6 Ω Inductance du rotor 16 mh 27 mh Moment d inertie 9 gcm 2 9 gcm 2 Constante de temps 34 ms 34 ms mécanique Force radiale max. 2,5 N 2,5 N Tension maximale 8 V 14 V Couple maximale 2 mnm 2 mnm Courant maximal 150 ma 120 ma Vitesse maximale 4200 tr/mn 4200 tr/mn ,6

20 Exemple de Type de Moteur MK MK Tension nominale 5,5 V 7,5 V Vitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mn Vitesse en charge nom tr/mn 2400 tr/mn Couple de démarrage min. 4,1 mnm 4,4 mnm Couple minimal 1 mnm 1,3 mnm Courant à vide maximal 34 ma 27 ma Courant en charge 71à 100 ma 69 à 98 ma Tension induite (fem/tr/mn) 1,53 à 1,98 1,91 à 2,45 (mv/tr/mn) Résistance du rotor 16 Ω 25,6 Ω Inductance du rotor 16 mh 27 mh Moment d inertie 9 gcm 2 9 gcm 2 Constante de temps 34 ms 34 ms mécanique Force radiale max. 2,5 N 2,5 N Tension maximale 8 V 14 V Couple maximale 2 mnm 2 mnm Courant maximal 150 ma 120 ma Vitesse maximale 4200 tr/mn 4200 tr/mn T Tp Ω 0 Ω N Tr, L U Ω I 0 Ωp Ω 0 R E J I Ω I N I

21 Moteur / Génératrice U< 0 T = Kϕ.I T > 0 U> 0 Ω = Kϕ.E Ω < 0 I Quadrant 4 : Fonctionnement génératrice Quadrant 3 : Fonctionnement moteur Quadrant 1 : Fonctionnement moteur Quadrant 2 : Fonctionnement génératrice I Ω = Kϕ.E Ω > 0 U< 0 U> 0 I T = Kϕ.I T < 0 I

22 Commande Idée Valim Solution Valim M M Ve Rb

23 Commande Ve t Valim I M M I M Vce 100 V t Ve t Rb Vce

24 Ve Commande t Solution Valim I M t I M M Vce t Id Rb Id t Ve Vce

25 Commande Ve t Valim U M t 0 T U M M Valim - V CE sat Rb V F Ve

26 Commande Ve V M Valim t 0 T t Valim U M U M M E = <U M > + <U R > + <U L > E <U M > E = Valim.t 0 / T E = Valim.α E Rb Ve On peut faire donc faire varier la vitesse du moteur (Ω = E/ Kϕ ) en faisant varier le rapport cyclique

27 Commande Valim! Ve t M Vérifier I C t Rb I C Vce Vce t Ve Puissance, Température

28 Commande Comment inverser le sens de rotation? Tourner le moteur! Valim M M Rb Ve I C Vce Problème : Obligation de modifier le montage

29 Commande par pont Vcc M E T = Kϕ.I T > 0 Ω = Kϕ.E Ω < 0 Quadrant 3 : Fonctionnement I moteur E I Quadrant 1 : Fonctionnement moteur Ω = Kϕ.E Ω > 0 T = Kϕ.I T < 0

30 Commande par pont Vcc U M I M E T = Kϕ.I T > 0 Ω = Kϕ.E Ω < 0 Quadrant 3 : Fonctionnement I moteur E I Quadrant 1 : Fonctionnement moteur Ω = Kϕ.E Ω > 0 T = Kϕ.I T < 0

31 Commande par pont Vcc U M I M E T = Kϕ.I T > 0 Ω = Kϕ.E Ω < 0 Quadrant 3 : Fonctionnement I moteur E I Quadrant 1 : Fonctionnement moteur Ω = Kϕ.E Ω > 0 T = Kϕ.I T < 0

32 Réalisation Vcc Commande par pont M

33 Commande par pont Vcc U M I M

34 Commande par pont Vcc U M I M

35 Commande par pont Vcc Mesure du courant : M Rm.I M Rm.I M I M Umax Mise Comparaison à l arrêt du moteur Rm.I M si si Rm.I Mesure M M > > Umax? de courant

36 Composant de commande L 292 Commande par pont R C 22 kω 47 nf Vcc _ + Rs OTA Rs2 Ve 6 Ref. V R =8V _ + ALI 1 _ + ALI 2 Oscill. _ + Comp. T1 T2 T3 T M R O 15 kω C O 1,5 nf

37 Synthèse: Machine à Courant Continu :

38 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 auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l induit.

39 Vue en coupe Ventilateur Induit bobiné Inducteur Boîte à bornes Balais Collecteur Pour imprimer

40 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 auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l induit.

41 Induit bobiné 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. 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.

42 Balais Les 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 électrographitiques, 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%.

43 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.

44 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)

45 Equations de fonctionnement Attention! Les séquences qui suivent sont sonorisées. i i R L E U M ie Cem Ω J U di U = Ri+ L + E dt Cem= k Cem= k i Cr E=k E=k Ω E=k ΩΦe Cem= k i Φe Cem Cr= J d Ω dt

46 Equations de fonctionnement En résumé: U i R L E ie Ce Ω J Cr Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont : 1 ) 2 ) E=k ΩΦe 3 ) Cem= k i Φe 4 ) di U = Ri+ L + E dt Cem Cr= J d Ω dt

47 Caractéristiques électro-mécaniques Dans 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. Cem Cem= kφi Ω= U RI k Φ Dans la pratique, on maximise le couple Cem par ampère en donnant au flux d excitation sa valeur nominale, soit Φ= Φnominal. Ω Cem = KI Ω = U K K R 2 Avec K= k Φnominal Cem

48 Caractéristiques électro-mécaniques -Un Cem Un domaine fermé définit l ensemble des couples ( Cem, Ω ) possibles pour une machine donnée. Un In Cem=KIn K 2 Cem= KUnU Ω R R n Question : Ω Quelle est la nature du fonctionnement correspondant aux quatre points d intersection des droites limites? -In

49 Excitation des

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