Machine à courant continu CHAPITRE IV DOCUMET COMPOÉ À PARTIR DU COUR DU PR.VIAROUGE GEL-3001 Automne 2018 1
I. APPLICATIO GEL-3001 Automne 2018 2
Applications Les machines à courant continu sont très rependu dans le monde actuel. Elles couvrent la gammes des faibles puissances jusqu à des puissance de plusieurs MW Jouets et mécatronique Outillage portable Fonctionnement moteur - Moteur CC à aimants alimenté / batteries : accessoires automobiles, outillage, jouet, etc.) - ervomoteurs (positionnement, machines-outils) - Moteur CC pour traction électrique (avires, trains, métro, manutention, petits véhicules) - Entraînements industriels (métallurgie, laminoirs, etc.) Accessoires automobiles ervomoteurs Fonctionnement en génératrice Elles se limites au freinage récupératif
Applications Laminoirs industriels Traction électrique Ascenseurs (Mines)
Applications AA Mars rovers pirit et Opportunity 46 moteurs Moteurs CC sans Fer 16 moteurs: systèmes rétraction air bag sur systéme amarsissage. 4 moteurs: deplier panneaux solaires 4 moteurs: deplier le robot et les roues 6 moteurs: traction des 6 roues 5 moteurs: Conduite & direction 7 moteurs: bras robotique (abrasion des roches, perçage 10,000 rpm, 2 spectromètres, caméra-microscope) 1 moteurs: spectromètre infrarouge 3 moteurs: camera
II. COTITUTIO DU TATOR GEL-3001 Automne 2018 6
tructure magnétique au stator tructure qui comporte des pôles magnétique réalisés avec des aimants ou des électroaimants. Dans le cas de l électroaimant, l inducteur est bobiné autour de pièces polaires constituées d un empilement de tôles laminées de faible épaisseur conçues avec un matériau magnétique. Elle sont espacées les unes des autres par un isolant. Rôles des pièces polaires: - Canaliser les lignes du champ magnétique - upporter l électroaimant Pertes associées aux pièces polaires: - Pertes magnétiques - Pertes par courant de Foucault GEL-3001 Automne 2018 7
obinage au stator: Inducteur À la différence des machines synchrones, où l inducteur est au rotor, l inducteur de la machine à courant continu est au stator. Il permet de générer le flux d excitation (ou FMM) et peut être conçu à partir de: - Aimants -> Placés sur la structure - Électroaimants -> obinage enroulé autour des pièces polaires Inducteur (à aimants) au stator Pertes associées aux conducteurs: - Pertes par effet Joule -> P jf = R f I f 2 Électroaimant: Il possède un nombre de spire n f parcouru par un courant continu I f. Dans certaines machines, une même pièce polaire peut contenir plusieurs inducteurs (Compound) Particularité des inducteur la : - machine à aimants->le flux d excitation est constant Ф f = consatnte - machine à inducteur bobiné-> Le flux d excitation (ou FMM) est fonction du courant d alimentation de l électroaimant-> Ф f I f, F f = n f I f MCC GEL-3001 Automne 2018 8
III. COTITUTIO DU ROTOR GEL-3001 Automne 2018 9
tructure magnétique au rotor Aussi conçue de matériau magnétique, elle est composée d un empilement de tôles laminées de faible épaisseur. Des encoches sont encrées dans le rotor pour conducteur les conducteurs d induit. Le rotor est généralement lisse. Rôle du matériau magnétique: Canaliser les lignes du champ magnétique Pertes associées à la carcasse du rotor (uniquement durant les régimes transitoires): - Pertes magnétiques - Pertes par courants de Foucault GEL-3001 Automne 2018 10
obinage au rotor: Induit Conducteurs composés de cuivre et placés dans les encoches au rotor. Chaque conducteur est bobiné et possède un nombre de spire n a parcouru par un courant continu I a. C est «l induit» de la machine. Pertes associées aux conducteurs: - Pertes par effet Joule -> P ja = R a I a 2 Paramètres magnétiques associés aux bobinage: -Ф a I a, F a = n a I a * www.delomservices.ca GEL-3001 Automne 2018 11
IV. COLLECTEUR ET ALAI GEL-3001 Automne 2018 12
Collecteur et balais Le collecteur est composé de lames conductrices en cuivre, isolées les unes des autres. Le collecteur est solidaire du rotor. Les extrémités des conducteurs bobinés au rotor sont soudées sur ces lames. Les balais sont solidaire du rotor et frottent contre les lames du collecteur. Chaque balais est en contact avec une lame à la fois. -> L ensemble forme un convertisseur mécanique AC/DC (génératrice) ou DC/AC (moteur) La fragilité de la machine est liée à ce dispositif. GEL-3001 Automne 2018 13
Principe de fonctionnement: Collecteur et balais Collecteur + balais -> convertisseur de fréquence mécanique: en fonctionnement générateur, il assure le redressement des tensions AC de l induit (fonction redresseur) en fonctionnement moteur, l alimentation en courant alternatif des enroulements de l induit à une fréquence égale à la fréquence de rotation, à partir de l alimentation continue (il assure la commutation du courant dans les enroulements: fonction commutateur ou onduleur) Les interrupteurs sont les contacts mécaniques balais-lames du collecteur chéma électrique équivalent du collecteur d une machine CC à 3 phases GEL-3001 Automne 2018 14
V. MACHIE IPOLAIRE MOOPHAÉ GEL-3001 Automne 2018 15
Constitution: machine bipolaire monophasée Flux d excitation produit par aimants ou électroaimants tator Une phase au rotor dont le chemin aller du bobinage est diamétralement opposé au chemin retour Inducteur Rotor Induit L extrémité A de la phase est soudée sur l une des lame su collecteur et l extrémité est soudée sur l autre lame A Chaque balais est en contact avec une lame à la fois 2 alais Collecteur à 2 lames Isolant entre 2 lames Lame en Cu GEL-3001 Automne 2018 16
VI. FOCTIOEMET GÉÉRATEUR D UE MACHIE IPOLAIRE MOOPHAÉ GEL-3001 Automne 2018 17
Production d une force électromotrice à vide Conditions nécessaires: - Flux d excitation ->Ф f - Entrainement du rotor-> moteur, turbine W -> Une FEM apparait aux borne de la phase: - L amplitude dépend de Ф f et de la vitesse du rotor - La fréquence dépend de la vitesse du rotor F f V - Énergie mécanique (Moteur, turbine ) Aimant ou électroaimant (Inducteur) P m = T m Ω F f et H r Parties tournantes Circuit magnétique d/dt Φ f = F f R eq La phase est mobile et le flux d excitation fixe e(t)=-dφ f /dt FEM aux bornes de la phase E = Ф f ω Req: réluctance équivalente du circuit magnétique GEL-3001 Automne 2018 18
Allure de la force électromotrice à vide La variation de flux est de forme sinusoïdale: - Passage valeur crête lorsque axe de la phase colinéaire avec axe polaire - Passage à 0lorsque axe de la phase en quadrature avec axe polaire W A V A V d dt t W A La FEM est sinusoïdale: - Passage à 0 lorsque axe de la phase colinéaire avec axe polaire - Passage valeur crête lorsque axe de la phase en quadrature avec axe polaire W A W A GEL-3001 Automne 2018 19
Machine bipolaire monophasée: Ligne neutre Extrémité A de la spire à gauche de Ligne neutre V A V 0 Extrémité A de la spire à droite de Ligne neutre V A V 0 W VA V t A sur Ligne neutre V A V 0 Ligne neutre Ligne neutre perpendiculaire à FMM inducteur F f. Lorsque plan de la spire est aligné avec ligne neutre (extrémités A & de la spire sur la ligne neutre), flux créé par F f dans la spire A maximum GEL-3001 Automne 2018 20
Machine bipolaire monophasée: Collecteur et balais Fonctionnement convertisseur AC/DC 1 er ½ tour du rotor: - Lame extrémité A en en contact avec balais -> = V A - Lame extrémité en en contact avec balais V -> V = V V = V A V 2 nd ½ tour du rotor: - Lame extrémité en en contact avec balais -> = V - Lame extrémité A en en contact avec balais V -> V = V A V = V V A 2 balais fixés au stator frottent sur collecteur Extrémités de spire A & soudées sur 2 lames isolées du collecteur fixé au rotor V V A V - V A V 0 A V- Collecteur alais Lame Isolant V - V V V A V 0 V V V V 0 A A GEL-3001 Automne 2018 21
Machine bipolaire monophasée: Redresseur VA V V V V - La tension en sortie de la génératrice est de valeur moyenne non nulle. GEL-3001 Automne 2018 22
VII. FOCTIOEMET MOTEUR D UE MACHIE IPOLAIRE MOOPHAÉ GEL-3001 Automne 2018 23
Principe: Force de Laplace La force de Laplace est la force électromagnétique qu'exerce un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant. Dans un conducteur rectiligne, la force de Laplace est la résultante de toutes les forces de Lorentz sur les charges mobiles. Cellesci étant bloquées latéralement dans le matériau, cela se traduit par l'existence d'une force latérale sur le conducteur, par le principe d action-réaction : la force totale se transmet au matériau. F ԦI F ԦI H GEL-3001 Automne 2018 24 H
Application des forces de Laplace aux MCC Conditions nécessaires: - Flux d excitation ->Ф f - Alimentation de l induit> I a -> Une force s applique sur chaque partie de la phase (diamétralement opposées) : - L amplitude de la force de l amplitude de Ф f et de l amplitude de I a - L orientation des forces dépend de la position du rotor (position de axe magnétique/axe de la phase) et de la polarité de l alimentation I a V a V- chéma électrique alimentation induit F A I a W Tem F I a V - Chaque partie de la phase (diamétralement opposées) est considérée comme un conducteur rectiligne sur lequel la force de Laplace s applique. Comme le sens de circulation du courant dans la première partie du conducteur est opposé à celui de la seconde partie, les forces générés sont de sens opposées. Or deux forces opposés appliquées sur deux conducteurs diamétralement opposés entraine une rotation -> T em 0 GEL-3001 Automne 2018 25
Fonctionnement onduleur du collecteur I A = 0 F A = 0 I = 0 F = 0 I A = I F A = F max I = I F = F max Le couple résultant est toujours de même signe. A A Le courant dans la spire est un courant alternatif d amplitude I a et de fréquence égale à la fréquence de rotation. V - V - Il s annule lorsque la spire franchit la ligne neutre A A V - I A = 0 F A = 0 I = 0 F = 0 GEL-3001 Automne 2018 I A = I F A = F max I = I F = F max 26 V -
Fonctionnement moteur: onduleur du collecteur Le collecteur est un convertisseur CC/CA qui transforme le courant continu d almentation de l induit en courant alternatif dans la spire. i spire + I a W Tem - I a T em I a I a V - La commutation (ou inversion) du courant dans la spire de l induit a lieu lorsque plan de la spire aligné avec ligne neutre si l axe des balais est perpendiculaire à celle-ci (disposition la plus utilisée) GEL-3001 Automne 2018 27
Fonctionnement moteur: onduleur du collecteur e spire La force électromotrice dans la spire e spire est alternative Le courant dans la spire i spire a pour amplitude I a et sa fréquence est asservie à la fréquence de rotation. i spire + I a - I a Le courant dans la spire est en phase avec la fem à vide alternative induite dans la spire. Dans cette machine synchrone, Y=0, La réaction d induit est purement transversale. Tem( t) Pem( t) W e spire ( t) i W spire ( t) Pem( t) e ( t) i ( t) spire spire T emoyen Le couple électromagnétique instantané T em est unidirectionnel, sa valeur moyenne est non nulle GEL-3001 Automne 2018 28
Limites du moteur bipolaire monophasé i spire + I a t Avec une machine bipolaire monophasée, le couple instantané s annulle pour deux positions de la spire de l induit. - I a i l induit est arrêté dans cette position le moteur monophasé ne peut pas démarrer. T em T emoyen t Pour remédier à ce défaut, on multiplie le nombre de phases de l induit: exemple moteur de jouet à 3 phases. T em t Machines CC performantes ont un nombre de phases élevé: - 24 phases dans le moteur utilisé au laboratoire - l ondulation de couple est négligeable, - le couple instantané est non nul quelque soit la position du rotor GEL-3001 Automne 2018 29
VIII. IDUCTEUR OIÉ: OIAGE GEL-3001 Automne 2018 30
Topologie avec un électroaimant ource d alimentation (I f ) de l électroaimant: ource alimentation externe -> Inducteur à excitation indépendante ource d alimentation de l induit (2 configurations): - inducteur branché en // sur l induit -> Inducteur à excitation shunt Rf et nf élevés ; Ff = nf.if - inducteur branché en série avec l induit -> Inducteur à excitation série (Rs et ns faibles ; Ff = ns.ia) I f Exemple machine bipolaire p=1 GEL-3001 Automne 2018 31
Topologie avec deux électroaimants I a Deux enroulements inducteurs peuvent être utilisés pour créer la fmm inducteur F f. La fmm F f est alors: F ( uivant le couplage des inducteurs) f n f I f n s I a Un inducteur à excitation composée comporte : un inducteur shunt branché en // sur l induit (parcouru par I f ) un inducteur série branché en série avec l induit (parcouru par I a ) I f GEL-3001 Automne 2018 Exemple machine bipolaire p=1 32
chéma de couplage des enroulements inducteurs excitation indépendante excitation shunt excitation série GEL-3001 Automne 2018 excitation composée compound 33