Machines à courant continu

Transcription

1 Plan du cours Constitution Principe de fonctionnement en génératrice Principe de fonctionnement en moteur La réaction d induit Etude des transferts de puissance 1

2 Constitution bobine inducteur Une machine à courant continu assure de manière réversible la conversion de l énergie électrique présente sous forme continu en énergie mécanique. Si elle débite un courant continu, elle fonctionne en génératrice. Si elle absorbe un courant continu, elle fonctionne en moteur. noyau polaire entrefer S N N S Induit Inducteur Elle comporte : un inducteur fixe (stator) qui crée le flux dans l entrefer. Il crée dans l entrefer des pôles fixes successivement nord et sud. un induit tournant (rotor) parcouru par un courant continu qui, en moteur, par interaction avec le champ crée par l inducteur, crée le couple. 2

3 Inducteur Il comporte : une culasse en acier moulé qui supporte toutes les parties fixes et aux extrémités les deux paliers dans lesquels tourne l arbre portant le rotor. Elle ferme le circuit magnétique. 2p pôles (soient p paires de pôles). Autour des noyaux, sont bobinés les enroulements avec le même nombre de spires, parcouru par le même courant, et un sens de parcours tel que l on respecte une succession des pôles nord sud.. Tous les bobinages sont électriquement en série. L inducteur est parfois réalisé à l aide d aimants permanents. Différents modes de connexion de l inducteur Excitation séparée Excitation shunt Excitation série Excitation Compound 3

4 Caractéristique Flux/courant d excitation Φ J (courant d'excitation) 4

5 Induit Porté par le rotor, dans la disposition actuelle dite à tambour, il comprend un ou plusieurs bobinages fermés sur euxmêmes. Il est caractérisés par 2a voies d enroulements en parallèle. Il tourne dans un champ magnétique fixe. Pour limiter les pertes par courants de Foucault et par hystérésis, il est feuilleté. sur la périphérie de l induit sont découpés des encoches dans lesquelles viennent se loger les conducteurs de l induit. Dent Encoche 5

6 Bobinage de l induit Chaque fil pris isolément est appelé conducteur. Deux conducteurs forment une spire. Les spires sont regroupées en section. Une section est l ensemble des conducteurs rencontrés entre deux lames du collecteur lorsqu on progresse dans un sens donnée le long du bobinage. Elle comporte : - la lame du collecteur, 11 - le faisceau de conducteurs d aller, - la connexion arrière - le faisceau du conducteur de retour, Sud - la lame suivante. 5 7 Nord Nord Sud VII VIII I II III IV V VI VII Dans cet exemple : Représentation panoramique de l enroulement

7 Le collecteur et les balais Il est constitué d un certain nombre de lames isolées électriquement. Il y a autant de lames que de sections. Les balais sont fixés sur la carcasse par l intermédiaire d un porte balais et frottent sur le collecteur grâce à des ressorts. Le contact collecteur/balais est glissant. Les balais sont placés sur l axe des pôles principaux. Vue d ensemble de l induit Représentation schématique de l induit S N 7

8 Principe de fonctionnement en génératrice Un conducteur, placé sur l induit, tourne. Il coupe les lignes de champ. Il est alors le siège de f.e.m. induite. En 1 et 3, la f.e.m. a le sens indiqué par les flèches. En 2 et 4 elle est nulle. On a donc une f.e.m. alternative. Le système balais collecteur a pour rôle de la redresser. N 1 Ω 4 B 2 3 S Ω - - e B ln Lorsqu on passe de la - position 1 à la position 2, les e lames ont changé de polarité e et de balais. On conserve donc en sortie des balais la - - même polarité. Position 1 Position 2 On réunit entre eux les conducteurs diamétralement opposés ou presque diamétralement opposés de manière à ce que les forces électromotrices s ajoutent. 8 Ω - B ln e

9 Si l on reprend le schéma développé des enroulements : Lorsqu on va du balais sur la lame I au balais sur la lame V, en suivant toujours le même sens, toutes les f.e.m. sont en série. Pour aller d un balais à l autre, il y a deux chemins possibles. Il y a ici deux voies d enroulement. Ces deux voies sont électriquement en parallèle VII VIII Nord Sud I II III IV V VI VII - Ω

10 Finalement, on obtient le schéma équivalent suivant : Lors de la rotation, lorsque les conducteurs passent sous la ligne de neutre, leur force électromotrice induite change de sens. Il en sera de même du courant qui les parcoure 10

11 Calcul de la f.e.m. Calculons la valeur moyenne de la f.e.m. d une machine bipolaire possédant 2 voies d enroulement. Soient f faisceaux, f/2 encoches et n/f conducteurs par 7 faisceaux 5 9 Un tour complet prend 1/Ω secondes. et donc t = = Ωf Ωf 2 avec Ω vitesse de rotation en tr/s Le flux total coupé par l ensemble des conducteurs d aller et de retour est : Φ D où la f.e.m. : E = 2Φ Φ = = nωφ t n f Nord 3 4 p Plus généralement, nous avons : E = ΩnΦ a avec 2p = nombre de pôles, 2a=nombre de voies en parallèle, n=nombre de conducteurs actifs Φ=flux par pôle, Ω=vitesse de rotation en tr/s Sud

12 Principe de fonctionnement en moteur Principe Le couple électromagnétique résulte de l interaction du champ magnétique crée par l inducteur et du courant d induit. En première approximation : ln ln F ln Ω I I F N F B S - - B I F - - I B F - - Position 1 Position 2 12

13 Calcul de la force contre électromotrice En négligeant la réaction d induit (cf suite du cours), Φ = Φ ch = Φ v p E '= ΩnΦ a avec 2p nombre de pôles 2a nombre de voies en parallèle n nombre de conducteurs actifs Φ flux par pôle Ω vitesse de rotation en tr/s 13

14 Calcul du couple électromagnétique Nous avons : EI EI 1 p Te = = = ω 2π π a n Φ Ω 2 I Donc p Te = 1 a n Φ 2π I avec 2p nombre de pôles 2a nombre de voies en parallèle n nombre de conducteurs actifs Φ flux par pôle Ω vitesse de rotation en tr/s ω vitesse de de rotation est exprimée en rd/s et Ω en tr/s 14

15 Caractéristique du moteur à courant continu à excitation séparée E U RI Ω = = p Φ Φ a n p a n Si Φ est nulle, la machine s emballe. Ω I Te = 1 2π p a n Φ I T e I 15

16 On a T p e = 1 a n Φ 2π I E U RI Ω = = et p Φ Φ a n p a n donc p U Ω p T a n a n Φ 1 e = Φ 2π R T e Ω 16

17 La réaction d induit Origine Lorsqu on branche un récepteur aux bornes de l induit d une MCC fonctionnant en génératrice ou en moteur, l induit débite un courant. Celui-ci crée un flux appelé flux de réaction d induit qui modifié le flux inducteur. Deux composantes : réaction transversale d induit dont la direction se situe sur l axe interpolaire diminue le flux traversant l induit et décale la ligne de neutre. réaction longitudinale d induit dans l axe polaire ( due à un décalage de la ligne de neutre ou pour améliorer la commutation ) qui diminue fortement le flux inducteur 17

18 Influence Φ ( J, I) = Φ Φ E ch v p ( J, I) = ΩnΦ = E ε a ch ch v Remèdes pour diminuer réaction transversale d induit enroulements de compensation logés dans des encoches pratiquées sous les pièces polaires créant une f.m.m. égale et opposée à celle due aux ampères tours de l induit à l origine de la réaction d induit. pôles de commutation créant des ampères tours égaux et opposés à ceux de l induit. Solution moins bonne que la précédente. 18

19 Etude des transferts de puissance Réversibilité Ω E ch Génératrice 2 Moteur 1 T En fonctionnement moteur E.I = T.ω >O En fonctionnement génératrice E.I = T.ω<O ω vitesse de rotation en rd/s Moteur Génératrice 3 4 I Pour passer d un fonctionnement moteur à un fonctionnement génératrice, il suffit d effectuer un nombre impair de changements parmi ces trois grandeurs : vitesse, sens du courant d excitation, sens du courant d induit. 19

20 Bilan de puissance J Flux Induit Puissance électrique P = U I e a G M Inducteur Puissance Electro-magnétique Puissance Mécanique Utile P = E I = T Ω(rd/s) em ch a P = T Ω(rd/s) m u Pertes Joules 2 P = R I J a a Pertes fer Pertes Mécaniques 20

21 Pertes mécaniques Frottement solide de l arbre sur ces paliers ventilation Proportionnelle au carré de la vitesse Pertes fer Localisées au rotor (le champ est fixe par rapport au stator) Pertes Joules 2 P = U I R I Pertes dans l inducteur p ex Pertes supplémentaires j a a a a Chute de tension au balais (de l ordre de 0.5V) Varient avec la température Enroulement inducteur Dans le rhéostat de champ Pertes par courants de Foucault dans le cuivre Pertes dans les spires en commutation Augmentation des pertes fer en charge dues à une répartition différente de l induction Facteur de forme du courant 21

22 En négligeant les pertes supplémentaires, on peut écrire : Rendement d un moteur η m = P el P m p ex ( ) P p p p el J m f P el p ex Rendement d un générateur η G = P m Pel p ex P el ( ) P p p p p el ex J m f 22

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26 Fin du chapître 26