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La machine à courant continu
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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
3
PRINCIPE
• Un stator Inducteur :
C’est essentiellement un
électroaimant ou un aimant
permanent
=> Objectif : créer un
champ d’excitation dans la
machine
4
• 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
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Induit
Inducteur
6
7
8
Machines complètes
9
Moteur cc de laminoir fourni en 1915, modernisé
en 1955 et toujours en service.
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Moteur CC avec un couple de 11 MNm
11
Moteur cc de laminoir couple max : 2500kNm à 50 tr/min de 1950
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Moyeu soudé de l’induit
13
14
Principe
de
fonctionnement
15
f.é.m. induite
(FLUX COUPE φc)
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Flux magnétique à travers une spire
B
N
ω
S
17
B
Flux maximum
θ = 90° (par exemple)
18
B
19
B
20
B
Flux nul
θ = 0° et φc = 0
Le flux coupé φc dépend de la position angulaire de la spire.
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Principe : Machine élémentaire à induit à 1 spire
On considère 1 spire qui tourne
dans un électroaimant alimenté
en continu (B=constante)
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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 )
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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
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I
 

F = Il ∆ B
Si on fait circuler un courant dans l’induit => on obtient un couple
qui est toujours dans le même sens.
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VOIES D’ENROULEMENT
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Ligne neutre
1
4’
N
2
3’
3
2’
1’
S
4
27
B
+
B
4’ 1
2
3’
2’
3
1’
B’
-
4’
1
3’
2’
2
3
t
4
1’
4
B’
28
B
+
B
3’ 4’
1
2’
1’
2
4
B’
-
3’
4’
2’
1’
1
2
t+∆t
3
4
3
B’
29
B
+
B
2’ 3’
4’
1’
4
1
3
B’
-
2’
3’
1’
4
4’
1
t+2∆t
2
3
2
B’
30
B
+
B
1’ 2’
3’
4
3
4’
2
B’
-
1’
2’
4
3
3’
4’
t+3∆t
1
2
1
B’
31
B
+
B
4 1’
2’
3
2
3’
1
B’
-
4
1’
3
2
2’
3’
t+4∆t
4’
1
4’
B’
32
B
+
B
3 4
1’
2
1
4’
B’
-
2’
3
4
2
1
1’
2’
t+5∆t
3’
4’
3’
B’
33
En moteur
+
B
4’
1
2
3’
M
2’
1’
3
4
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Noyau de fer statorique
Ligne de champ
inducteur
B
C
M
Bobine
inductrice
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Évolution de B et M en rotation
B
Ω
M
36
Ω
37
Ω
38
Ω
39
Ω
40
Ω
41
Ω
42
Ω
43
Ω
44
Ω
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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.
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CONSTITUTION
47
Le rotor
48
49
50
51
52
Les portes balais
53
54
LES BOBINAGES
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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.
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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.
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Réaction magnétique de l’induit
58
Lignes de champ dues à l’inducteur
+
N
S
-
59
+
N
Courant dans les spires
-
S
60
Lignes de champ dues au rotor
+
N
S
-
61
Lignes de champ dues au rotor
+
N
Brotor
S
-
62
Déformation du champ résultant
+
N
S
-
63
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
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LIGNES DE CHAMP DANS UNE MCC A EXCITATION BOBINEE
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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
+
N
S
67
+
N
S
68
Bobines de compensation
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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
Pôle de commutation
71
72
Caractéristiques à vide
V
A
Ie
moteur
Ω0
73
Caractéristiques à vide
E
saturation
E(Ω 0,Ie)
Fonction linéaire E = h. Ω 0.Ie
Er
Ie
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Étude en charge (I≠0)
Couple électromagnétique
+
I
Fe
N
N
S
Ce=∑ Fe x r
Fe
-
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La machine à courant continu est soit :
une f.é.m. = génératrice
+
+
récepteur
I
moteur entraînant la mcc
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soit une f.c.é.m. = moteur
+
I
+
générateur
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Les différents modes d’excitation
de la machine à courant continu
78
Machine à excitation séparée :
U
If
79
Machine à excitation shunt :
Iinduit
U
If
80
Machine à excitation série :
If = Iinduit
U
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Machine à excitation compound :
Inducteur série
U
Inducteur parallèle
If
82
Machine à aimants permanents
I
U
83
SERVO-MOTEUR A ENTREFER PLAN
84
85
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
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semblable) => même problèmes de maintenance
Les quadrants de fonctionnement
87
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
ALIMENTATION ELECTRIQUE
89
POLLUTION HARMONIQUE DES
DIFFERENTS REDRESSEURS
COMMANDES D’ALIMENTATION
90
91
Avec bobine infinie
92
93
94
Augmentation de la
fréquence de l’ondulation
par association
95
96
97
Remplacement progressif pour le même type d’application par
des Machines Alternatives (MS ou MAs)
98
Remplacement progressif pour le même type d’application par
des Machines Alternatives (MS ou MAs)
99
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.
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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
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