Prof. Mourad ZEGRARI

Prof. Mourad ZEGRARI
Plan
Principe.
Constitution.
Production de la f.é.m. ; Bobinage.
Génératrice à courant continu.
Moteur à courant continu : caractéristiques électromécaniques.
Variation de la vitesse des Moteurs CC.
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Machines à
Courant Continu
2
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Génératrice à Courant Continu
E Moteurs à Courant Continu
F
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Variation de la vitesse des Moteurs CC
Machines à
Courant Continu
3
Présentation
La Machine à Courant Continu (MCC) est un convertisseur électromécanique réversible :
Moteur
Energie
Electrique
Energie
Mécanique
Génératrice
Génératrice CC : pratiquement elle n’est plus utilisée pour la production de l’énergie
électrique. Cependant, on l’utilise encore comme excitatrice des alternateurs des
centrales, ou pour un freinage par récupération.
Moteur CC : utilisé à grande échelle dans les entraînement à vitesse variable en raison
de sa souplesse de commande. Utilisé également dans la traction électriques.
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Machines à
Courant Continu
4
Utilisation des Machines CC
Fonctionnement en Moteur
Motorisation à vitesse variable (puissances jusqu’à plusieurs MW, vitesse < 4000 tr/min)
Moteurs CC à aimants permanents alimenté par des batteries
(Outillage, accessoires automobile, mécatronique)
Servomoteurs (Positionnement, robotique, machines-outisl)
Moteurs CC pour traction électrique (Navires, trains, manutention, petits véhicules)
Entraînements industriels (Métallurgie, laminoirs)
Fonctionnement en Génératrice
Limité au freinage par récupération.
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Machines à
Courant Continu
5
Applications industrielles
Motorisation à faible puissance
Moteurs CC à aimants permanents alimentés par des batteries :
Accessoires automobile
Outillage portable
Robotique, mécatronique :
Servomoteurs
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Positionneurs
Machines à
Courant Continu
6
Applications industrielles
Motorisation à forte puissance
Traction électrique :
Moteurs pour traction
Moteurs pour bateaux
Ascenseurs (mines)
Laminoirs
Métallurgie
Entraînements industriels
Laminoir 13 MW - 80 tr/min
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Machines à
Courant Continu
7
Applications spatiales
Mars Rovers - NASA
46 Moteurs CC sans fer :
16 moteurs : systèmes rétraction à airbag sur système
"aMarsissage“.
4 moteurs : deplier le panneau solaire.
4 moteurs : deplier le robot et les roues.
6 moteurs : traction des six roues
5 moteurs : conduite et direction.
7 moteurs : bra robotique (abrasion des roches, perçage
10.000 tr/min, 2 spectromètres, caméra-microscope).
1 moteur : spectromètre infarouge.
3 moteurs : caméras.
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Machines à
Courant Continu
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Analyse fonctionnelle
Machine à Courant Continu
à collecteur et balais
Machine Synchrone associée
à un convertisseur CC-CA
Inducteur (fixe) : placé au stator, il permet de produire une f.m.m. constante.
Induit (mobile) : enroulement placé au rotor et siège des f.é.m. induites.
Induit
Inducteur
Collecteur
Balais
Collecteur : solidaire au rotor avec des lames en cuivre reliées au bobinage de l’induit.
Balais : fixes au stator et frottant contre le collecteur, conversion DC-AC des tensions.
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Courant Continu
9
Éléments de base
Exemple : Machine Bipolaire
Flux créé par
l’inducteur
Rotor : Induit
Ω
N
φe
A
S
AB : Spire de l’induit
B
X
Lames
Stator : Inducteur
Collecteur
Y
Balais
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Courant Continu
10
Génératrice CC : Principe
Une spire conductrice AB est placée dans un champ magnétique d’induction B fixe.
On entraîne la spire en rotation à une vitesse constante Ω.
Ω
A
A
S
N
Ω
N
B
eAB
S
X
VXY
B
Y
Ligne neutre
Loi de
Faraday
N
t
t
VXY = eAB
S
VXY = - eAB
Création d’une force électromotrice induite eAB alternative :
eAB(t) = Em sin(Ωt)
Tension entre balais VXY unidirectionnelle (redressée) :
VXY = eAB(t)
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11
Génératrice CC : Collecteur en Redresseur
Mode Génératrice : le collecteur fonctionne comme redresseur de tension.
Ω
Ω
A
B
S
N
A
N
B
A
Y
X
eAB
Le collecteur permet de
redresser la tension VXY
entre balais :
X
Y
Ligne neutre
VXY = eAB = 0
VX = VA ; VY = VB
VXY = eAB > 0
Y
VX = VB ; VY = VA
VXY = - eAB > 0
VXY
Ligne neutre
Ligne neutre
t
t
VXY = eAB
VXY = eAB(t)
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S
N
S
B
X
Ω
Machines à
Courant Continu
VXY = - eAB
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Moteur CC : Principe
Une spire conductrice AB est placée dans un champ magnétique d’induction B fixe.
On fait parcourir la spire par un courant constant
a.
Ω
Be
Loi de
Laplace
N
F1
A
B
F2
S
Va
F
Chaque conducteur de la spire subit une force magnétique F.
Les forces F1 et F2 appliquées de chaque côté font tourner la spire.
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13
Moteur CC : Production du couple
La spire AB est alimentée par un courant continu
a
à travers le collecteur.
Ω
Ω
Tem
Tem
F1
A
N
A
Be
F2
F1
B
X
Be
N
S
B
Be
X
Y
S
Be
F2
Y
Les forces appliquées de chaque coté ont toujours le même sens.
Le couple électromagnétique créé Tem a toujours le même signe.
Le courant dans l’armature
franchit la ligne neutre.
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a
change de signe dans un conducteur lorsque celui-ci
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Courant Continu
14
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Génératrice à Courant Continu
E Moteurs à Courant Continu
F
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Variation de la vitesse des Moteurs CC
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Courant Continu
15
Structure générale
Une machine à courant continu comporte les éléments suivants :
Un système inducteur :
Formé d’un aimant permanent ou d’un électro-aimant bobiné sur une pièce polaire, il
permet de produire une f.m.m. constante.
Un système induit :
Constitué par un enroulement mobile placé dans un rotor et dans lequel apparaissent
des forces électromotrices induites alternatives.
Un collecteur :
Dispositif permettant le redressement mécanique de la tension induite alternative
créée dans l’enroulement induit.
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Courant Continu
16
Vue en coupe de la MCC
Induit bobiné
Inducteur
Ventilateur
Balais
Boîte à bornes
Collecteur
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17
Stator : Structure
Le stator comporte les parties suivantes :
Boite à bornes : pour le câblage de la machine.
Fixation : bride et support de fixation.
Lignes du champ inducteur
Culasse : partie extérieure de la machine.
Boîte à bornes
Fixation
φe
N
S
Culasse
La culasse supporte les éléments de la machine et permet de guider les lignes du
champ inducteur. Elle peut être constituée d’acier massif car le flux est fixe.
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Courant Continu
18
Types d’inducteurs
Le flux d’excitation φe peut être créé par :
Aimants permanents : champ fixe
Les pertes joules dans l’inducteur sont supprimées
mais l’excitation magnétique est fixe.
Dans les grosses machines, le coût des aimants
pénalise cette solution.
Enroulements polaires : champ réglable
L’inducteur est bobiné sur les pièces polaires et
parcouru par un courant d’excitation e réglable afin
de modifier le flux inducteur φe. Pour les machines de
fortes puissances, on place des pôles auxiliaires
pour améliorer la commutation du courant dans les
conducteurs de l’induit.
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Courant Continu
19
Enroulement inducteur
Le courant d’excitation
e
peut être fourni par :
Une source extérieure indépendante : Excitation séparée.
L’enroulement induit, le montage du circuit inducteur se fait :
• En parallèle avec l’induit : Excitation Shunt.
faible
Re et ne élevés :
Fe = ne. e
L’enroulement parallèle est réalisé en fil de cuivre de section faible.
e
• En série avec l’induit : Excitation Série.
= a élevé
Ra et na faibles : Fe = na. a
L’enroulement série est réalisé en fil de cuivre de section élevée.
e
• Combinaison de deux enroulements : Excitation composée.
- Un enroulement en parallèle, ne spires parcourues par
- Un enroulement en série, na spires parcourues par a.
La f.m.m. résultante s’écrit :
Fe = ne. e ± na. a
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Courant Continu
e.
20
Montage des enroulements inducteurs
Excitation
à aimant
N
S
Excitation
Séparée / Shunt
e
a
a
Excitation
Série
Excitation
Composée
(compound)
e
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Courant Continu
21
Couplage des enroulements inducteurs
Source
Externe
MCC
Excitation Séparée
(Indépendante)
Excitation Composée
(Compound)
MCC
Excitation Shunt
(Parallèle)
MCC
Longue dérivation
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MCC
Excitation Série
MCC
Courte dérivation
22
Rotor : Structure
Constitué d’un cylindre :
Laminé pour réduire les pertes magnétiques.
Muni d’encoches permettant de loger les enroulements de l’induit.
Rotor
Associé à un dispositif de redressement mécanique : Collecteur.
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23
Rotor : Circuit induit
Circuit magnétique
Lames du
collecteur
Capot de
ventilation
Arbre
Collecteur
Circuit électrique
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Courant Continu
24
Induit : Circuit magnétique
Le circuit magnétique de l’induit est constitué de tôles circulaires en acier au silicium,
isolées par vernis et empilées sur l’arbre de façon à obtenir le cylindre d’induit.
Le champ inducteur vu par l’induit au cours d’un tour étant variable, le circuit du rotor doit
être feuilleté afin de réduire les pertes magnétiques dans l’induit.
Tôles isolées à 3,5% de silicium, épaisseur 0,35 mm.
Des pertes de 3 W/kg pour une induction de 1T.
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Courant Continu
25
Induit : Circuit électrique
Les bobines de l’induit sont réalisées par des sections logées dans les encoches de
l’induit et fermées par des cales. Un frettage assure la tenue aux efforts centrifuges.
Les encoches peuvent être inclinées d’un pas, ceci afin de diminuer les oscillations de
tension et de couple introduites par la modulation de la largeur d’entrefer.
Les sections sont brasées aux lames du collecteur et mises en série.
Têtes de bobinage
(chignons)
1 Section :
= 2 faisceaux
= x spires
1 faisceau =
x brins
Lame du collecteur
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Courant Continu
26
Induit : Bobinage du circuit électrique
y1
y2
y1
y2
yc
Bobinage imbriqué
yc
Bobinage ondulé
yc = pas au collecteur ; y1 = pas de bobine ou pas arrière ; y2 = pas avant
Le choix des bobinages dépend des courants et tensions appliquées :
Bobinage imbriqué : Forte intensité, faible tension
Bobinage ondulé :
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Faible intensité, forte tension
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Courant Continu
27
Collecteur
Le collecteur permet d’assurer la commutation du
courant d’alimentation dans les conducteurs de
l’induit. C’est un convertisseur mécanique AC-DC en
génératrice et DC-AC en moteur.
Le montage est réalisé par une juxtaposition des
lames de cuivre séparées par des lames isolantes.
Chaque lame est connectée au bobinage induit.
C’est le constituant critique des machines CC :
Ses lames sont soumises à des forces centrifuges
considérables.
Son usure due au frottement des balais nécessite
une maintenance régulière.
Il accroît de 25% la longueur de la machine.
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Courant Continu
28
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 (multiplication
des voies des enroulements).
Les balais doivent avoir une durée de vie aussi longue
que possible et assurer un bon contact électrique.
On estime les pertes dans les machines tournantes :
Pertes de nature mécanique à 35% ;
Pertes de nature électrique à 65%
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29
Balais et porte balais
Caractéristiques
Un balai couvre environ la largeur d’une lame et demi.
La pression du balai est assurée par un ressort.
La chute de tension eB due à un balai est d’environ 0,3V à 3V.
Balais
Porte-balais
Problème : L’usure du balai provoque la mise en court-circuit du collecteur.
Remède : Nécessité de souffler, avec de l ’air comprimé, le collecteur et les porte-balais
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Machines à
Courant Continu
30
Machine CC : Vue détaillée
6
5
1
2
3
7
4
L’induit (1) avec ses encoches perforées 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) ainsi que le système de fixation par pattes (7).
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Machines à
Courant Continu
31
Refroidissement
On fixe un ventilateur qui fonctionne indépendamment de la machine.
La circulation d’air dans l’entrefer est ainsi forcée.
Excepté : robotique, équipement automobile, petite puissance.
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Machines à
Courant Continu
32
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Génératrice à Courant Continu
E Moteurs à Courant Continu
F
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Variation de la vitesse des Moteurs CC
Machines à
Courant Continu
33
Production de la f.é.m. : induit à une spire
On considère une structure bipolaire, comportant une spire entraînée à la vitesse Ω.
La disposition de la spire dans l’entrefer est repérée par l’angle θ = Ωt.
Ω
Ω
n : normale à la
spire
S Axe polaire
B
A
N
N
S
B
X
Y
Flux engendré de la forme : φ(t) = φm cosθ = φm cos(Ωt)
Création d’une f.é.m. :
eAB(t) = es(t) = φm Ω sin(Ωt)
Tension redressée :
e(t) = es(t)
φ es
e
es
φ
π
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2π
θ = ωt
Machines à
Courant Continu
π
Ω
π
Ω
t
34
Production de la f.é.m. : induit à deux spires
Associons deux spires identiques placées dans deux encoches diamétralement opposées.
Les conducteurs parcourus pour aller d’un balais à l’autre constitue une voie d’enroulement.
Ω
A
e1
S
N
e’1
e
B
L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune d’une spire.
A chaque instant, les f.é.m. induites dans les enroulements sont égales : e1 = e’1 = e
e
Tension moyenne :
π
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2π
θ
=
φ
Ω
π
Forme unidirectionnelle périodique de (T/2)
mais fortement ondulée.
Machines à
Courant Continu
35
Production de la f.é.m. : induit à quatre spires
Associons quatre spires identiques placées dans quatre encoches décalées de 90°.
Ces spires sont connectées comme le montre la figure suivante :
Ω
A
C
S
N
D
e1
e’1
e2
e’2
e
B
L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune de deux spires.
Chaque voie regroupe deux spires dont les f.é.m. sont déphasées de (π/2) entre elles.
e
e
e1
0
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Tension résultante périodique de (T/4).
e2
π
π
π
π
θ
Ondulations diminuées par augmentation du
nombre de spires en série.
Machines à
Courant Continu
36
Production de la f.é.m. : induit à plusieurs spires
Associons Z conducteurs afin de former Zs = (Z / 2) spires.
Les sections des spires sont logées dans des paires d’encoches diamétralement opposées.
Ω
S
N
e1
e2
e’1
ek
e’k
e’2
e
L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune de (Zs / 2) spires.
La f.é.m. totale e pour chaque voie est :
=
e
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=
=
=
ek
e1 e1
=
e1
π
φΩ
Les tensions ei ont la même amplitude : ei = φΩ
La f.é.m. résultante est assimilable à un demicercle de diamètre E.
Machines à
Courant Continu
37
Réalisation du bobinage
π
π
Encochage de l’induit
Lames de cuivre isolées
Section de l’induit
Collecteur mobile
Bobine élémentaire à
plusieurs spires.
Balais fixes
Pas diamétral.
N
S
Pôles inducteurs fixes
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Machines à
Courant Continu
38
Expression de la f.é.m. : Machine bipolaire
La multiplication des spires permet d’augmenter la valeur
de la f.é.m. produite et de réduire ses ondulations.
On considère une rotor à Ne encoches avec un conducteur
par encoche. La f.é.m. E s’écrit :
∆φ
=
∆
Pour un déplacement d’un pas d’encoche (1/Ne tour) :
∆φ = φ
et
∆ =
π
Ω
e
E
t
La f.é.m. devient :
=
π
φ Ω
S encoche :
N d’un conducteur par
Sachant que l’on dispose
=
© M. ZEGRARI
π
φ Ω
Machines à
Courant Continu
39
Expression généralisée de la f.é.m.
La force électromotrice à vide peut s’exprimer sous la forme généralisée suivante :
=
π
φ Ω=
φ Ω
: Force électromotrice à vide (V)
= 2π × Z × (p/a) : Constante de machine telle que :
Z : Nombre de conducteurs dans l’induit.
p : Nombre de paires de pôles.
a : Nombre de paires de voies d’enroulements.
φe : Flux inducteur (Wb)
Ω : Vitesse de rotation (rad / s)
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Machines à
Courant Continu
40
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Génératrice à Courant Continu
E Moteurs à Courant Continu
F
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Variation de la vitesse des Moteurs CC
Machines à
Courant Continu
41
Génératrice CC : Excitation séparée
Le circuit inducteur est alimenté par une source continue Ve externe :
φe
e
Ve
ne
a
GCC
Va
Source
Externe
Inducteur
(Stator)
Induit
(Rotor)
La valeur moyenne de la f.é.m. redressée par le système balais-collecteur s’écrit :
=
© M. ZEGRARI
π
φ Ω=
φ Ω
Machines à
Courant Continu
42
Caractéristique à vide linéaire
On suppose que la saturation n’est pas atteinte.
On néglige également le flux rémanent φr.
La caractéristique magnétique du flux est linéaire :
φ
Ev
La caractéristique à vide est linéaire :
φ Ω
Ω
Caractéristique à
vide réelle
Ev = Van
À vitesse constante, la caractéristique à vide devient :
Ω
A
Caractéristique
à vide linéaire :
Er
O
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Machines à
Courant Continu
43
Fonctionnement en charge
La génératrice débite un courant
dans une charge.
Superposition de deux force magnétomotrices :
Force magnétomotrice de l’inducteur : Fe
(ne : nombre de spires de l’inducteur)
Force magnétomotrice de l’induit :
(k : coefficient de la machine)
Fa
F.m.m. F résultante :
F = Fe + Fa
Flux φ résultant :
φ
φ
φ
Phénomène :
Réaction Magnétique de l’Induit.
Conséquence :
Atténuation du flux utile.
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Machines à
Courant Continu
44
Fonctionnement en charge
Le modèle de la machine à courant continu est le suivant :
Re
Ve
La
φe
e
Ra
a
E
Ra : Résistance de
l’enroulement induit.
Va
Source
Externe
Modèle de l’Induit
La : Inductance du bobinage
induit.
Re : Résistance de
l’enroulement inducteur.
La tensions Va aux bornes de l’induit est telle que :
" = −
Avec :
=
π
−!
φΩ=
−
φΩ
Force électromotrice en charge due
au flux résultant : φ = φe + φa
: Chute de tension dans les balais (eb = 1 à 3 V)
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Machines à
Courant Continu
45
Correction de la RMI
La Réaction Magnétique de l’Induit peut être corrigée par :
Des pôles de compensation sur des machines de
puissance supérieure à 150 kW
Des enroulements de stabilisation sur des machines de
puissance supérieure à 10 kW
Des pôles de commutation sur des machines de
puissances entre 1 et 10 kW
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
46
Pôles de Compensation
Rôle
Ces pôles sont destinés à produire
un flux φc opposé au flux φa créé par
les conducteurs de l’induit (RMI).
Montage
Le bobinage de ces pôles (C1-C2)
est réalisé dans les épanouissements
polaires, ils sont connectés en série
avec l’enroulement induit.
Ω
a
a
a
Cette solution convient uniquement pour les inducteurs bobinés.
Retour
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
47
Enroulements de Stabilisation
Rôle
Limiter les effets de la RMI.
Ces enroulements stabilisent le flux
dans la machine en produisant un
flux opposé à celui de la RMI.
φs
Enroulement
de
Stabilisation
Enroulement
Inducteur
N φe
Montage
Les enroulements de stabilisation
(S1-S2) sont montés sur les pôles
inducteurs.
Retour
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
48
Pôles auxiliaires : Commutation
Rôle
Ils limitent la production d’étincelles
entre le collecteur et les balais par
annulation du courant dans la section
où le courant induit a s’inverse
N
S
Montage
Ils sont câblés aux bornes (B1-B2) en
série avec l’induit. Leur emplacement est
perpendiculaire à l’axe de l’inducteur.
a
a
Pour des machines de petite puissance (1 à 10 kW), on utilise
cet enroulement pour faire la compensation de la RMI.
Retour
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
49
Présentation des différents enroulements
ROTOR
Pôles Auxiliaires
de Commutation B1-B2
Bobinage Induit A1-A2
Porte balai
Inducteur E1-E2
S
N
Stabilisation S1-S2
Vue générale
© M. ZEGRARI
Compensation C1-C2
Collecteur
STATOR
Machines à
Courant Continu
Refroidissement
50
Expression de la tension de sortie
La tensions Va aux bornes de l’induit s’écrit :
" = −
−!
−
En général, nous pouvons adopter les hypothèses suivante :
La chute de tension eb dans les balais est négligeable devant les tensions de service.
En régime permanent, le courant induit
a
est quasiment constant
!
#
≈$
La réaction magnétique de l’induit entraîne une diminution de la f.é.m. en charge E :
%
&
L’expression de la tension Va devient :
" = −
=
−
&
−
Ve
" =
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
Ra
φe
e
Re
E
a
Va
51
Caractéristique de sortie
La tension Va s’écrit :
"
%
&
%
Va (V)
Ev
∆Va
Van
Ra
a
0
La chute de tension est :
© M. ZEGRARI
a
∆"
%"
Machines à
Courant Continu
(A)
&
52
Couple électromagnétique
La puissance électrique de sortie ' est :
'
"
%
'
La puissance électromagnétique '
'
)
%
(
s’écrit :
Ω
Le couple électromagnétique est :
)
=
'
=
= φ
Ω
Ω
≈ φ
(en négligeant la RMI)
Si le circuit magnétique est supposé linéaire :
)
© M. ZEGRARI
= φ
=(
)
Machines à
Courant Continu
53
Génératrice CC : Excitation Shunt
Le circuit inducteur est alimenté par l’induit de la génératrice : Auto-excitation.
e
a
e
G
G
ne Ve
GCC
a
Va
Schéma électrique
Ra
Va
Re
E
Inducteur
(Stator)
Courant
G
Induit
(Rotor)
fourni par la génératrice :
Tension Va aux bornes de l’induit :
Force électromotrice en charge :
© M. ZEGRARI
≈
*
"
%
φΩ
Machines à
Courant Continu
54
Génératrice Shunt : Amorçage
La f.é.m. rémanente Er permet d’alimenter le circuit inducteur par un courant
Création d’un flux inducteur qui augmente la f.é.m. E
Ev
G= e
Rh
Amorçage de la génératrice.
a= 0
e
Ev = Van
Ra
e.
RT ( e)
A
Ev ( e)
Va
Re
E
+
)
Er
Rh : Rhéostat de champ.
O
Le point de fonctionnement converge vers A qui est un point d’équilibre stable.
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
55
Génératrice Shunt : Caractéristique de sortie
La tension Va s’écrit :
"
En charge, si le courant
a
%
augmente :
+
Va (V)
Ev
(Ra a) augmente
e
(donc φe) diminue
Va diminue.
Ev diminue.
∆Va
Van
Séparée
Shunt
Chute de tension plus importante
que celle à excitation séparée.
,
(10 à 20% au point nominal)
a
0
Du fait de la diminution de
=
e
(A)
-
La génératrice shunt “s’auto-limite“ en court-circuit :
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
56
Génératrice CC : Excitation Série
Le circuit inducteur est connecté en série avec l’enroulement induit.
ns
e= a
a
Rs
a
Ra
GCC
Schéma électrique
Va
Va
Rch
E
Charge
Génératrice Série
Tension Va aux bornes de l’induit :
"
%
φΩ
Force électromotrice en charge :
Couple électromagnétique :
© M. ZEGRARI
)
=
+
Ω
'
=
= φ
Ω
Ω
Machines à
Courant Continu
(saturation négligée)
≈
57
Génératrice Série : Caractéristique de sortie
Particularités :
À vide, la génératrice ne développe que sa tension rémanente Er.
L’amorçage de la génératrice dépend de la résistance de charge :
(Ra+Rs) + Rch < Rc : Résistance critique définie comme pour la génératrice shunt.
Va
Caractéristiques :
Chute de tension très importante.
Ev ( e)
∆V
Caractéristique particulièrement instable
(type de génératrice très peu utilisée
sauf pour le freinage du moteur cc série)
Point de fonctionnement M tel que : Van = Rch.
Van
)
© M. ZEGRARI
M
Va ( a)
an
Couple électromagnétique :
'
=
=
= φ
Ω
Ω
Pente
critique Rc
Er
O
≈
Machines à
Courant Continu
a
an
58
Génératrice CC : Excitation Composée
Génératrice à excitation composée (appelée aussi génératrice compound).
Le flux inducteur est crée à la fois par :
Un enroulement série (S1-S2) connecté en série avec l’induit.
Un enroulement shunt (E1-E2) connecté en parallèle avec l’induit.
E1
S1
e
ns
S2
E1
a
a
e
G
ne
GCC
S2
S1
G
Va
E2
ne
ns
GCC
Va
E2
Montage “courte dérivation"
Montage “longue dérivation"
La caractéristique à vide et les conditions d’amorçage sont identiques à ceux de la
génératrice à excitation shunt.
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
59
Génératrice Compound : Caractéristiques
Le circuit électrique équivalent est le suivant (courte dérivation) :
Courant
a fourni à la charge :
Rs
e
*%
a
G
Tension Va de sortie :
"
%
"
© M. ZEGRARI
%
%
Re
Ra
Va
E
φΩ
Force électromotrice E :
Couple électromagnétique :
*
)
φ
*
Machines à
Courant Continu
60
Génératrice Compound : Caractéristique de sortie
La caractéristique en charge dépend de la nature du couplage des enroulements.
On définit le coefficient d’équivalence α par le rapport du nombre de spires :
α=
ns : nombre de spires de l’enroulement série.
ne : nombre de spires de l’enroulement shunt.
Force magnétomotrice de l’excitation :
/ =
(
±α
)=
Va
.
Additif
Ev
On distingue :
Machine “à flux additif“ :
Compensé
On compense la diminution du courant
e et les chutes de tension en charge.
Soustractive
,
Machine “à flux soustractif“ :
On accentue la chute de tension pour
obtenir une source de courant.
© M. ZEGRARI
0
Machines à
Courant Continu
a
61
Génératrice CC : Synthèse
On présente les caractéristiques de sortie Va ( a) des quatre types de génératrices à
courant continu :
Va
Additif
Ev
Van
Séparée
Soustractif
a
0
© M. ZEGRARI
Shunt
Machines à
Courant Continu
62
Génératrice CC : Bilan des puissances
Puissance
Mécanique
) Ω
'
Pertes
Constantes
Puissance
Électromagnétique
0 -
Pertes Fer
(Magnétiques)
'
1
Pertes
Mécaniques
© M. ZEGRARI
Puissance
Électrique
Pertes
Joules
(
Machines à
Courant Continu
(
Ω
)
(
'
"
63
Génératrice CC : Rendement
Le rendement de la génératrice à courant continu s’écrit :
'
'
η=
=
'
' +
=
-
"
"
+
1
+
0 -
+
(
η%
Le rendement est généralement
maximal pour la moitié de la
puissance nominale.
100
ηmax
ηn
50
À la puissance nominale Pen, le
niveau de rendement reste très
satisfaisant.
0
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
Pen/2
Pen
Pe
64
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Génératrice à Courant Continu
E Moteurs à Courant Continu
F
© M. ZEGRARI
Variation de la vitesse des Moteurs CC
Machines à
Courant Continu
65
Moteurs CC : Champs d’applications
Intérêt
Procédé de variation de la vitesse simple à mettre en œuvre.
Commande linéaire du couple électromagnétique.
Utilisation
Petits moteurs à aimants permanents dans les servomécanismes. Puissance limitée à
quelques watts.
Moteurs à excitation séparée de moyenne puissance (1 à 300 kW). Utilisés dans les
machines outils et les engins de levage.
Moteurs à excitation série de forte puissance (jusqu’à 10 MW). Utilisés dans les
locomotives, les navires et les laminoirs.
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
66
Moteur CC : Principe
On alimente l’induit par un source continue Va.
Le courant induit
Le sens de
a
a
se répartit également dans les voies d’enroulements.
est le même pour les conducteurs situés sous le même pôle inducteur.
Ω
Tem
A
Be
N
F2
F1
S
B
Be
Va
Sous l’action du champ inducteur : Création des forces de Laplace F1 et F2.
Apparition d’un couple électromagnétique Tem qui entraîne l’induit en rotation à la
vitesse Ω.
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
67
Moteur CC : Excitation séparée
Le circuit inducteur est alimenté par une source continue Ve externe :
φe
e
a
a
e
Ra
ne MCC
Ve
Inducteur
Va
E
Va
Induit
Tension aux bornes de l’induit :
"
=
Force contre électromotrice en charge :
Tension aux bornes de l’inducteur :
© M. ZEGRARI
Re
Ve
π
φΩ=
φΩ
"
Machines à
Courant Continu
68
Moteur Séparé : Caractéristique de couple
Mise en équation :
Le bilan des puissances dans l’induit s’écrit :
2
"
⇔
'
'
(
Couple électromagnétique délivré par le moteur :
)
=
'
=
=
Ω
Ω
Tem
φ
Comportement en charge :
Temn
Zone Linéaire OA :
B
A
Effet de
la RMI
Le flux φ est constant (RMI compensée).
Tem proportionnelle à .
Coude de la courbe AB :
Diminution du flux suite à la RMI.
Pente de la caractéristique modifiée.
© M. ZEGRARI
O
Machines à
Courant Continu
a
an
69
Moteur Séparé : Caractéristique de vitesse
Mise en équation
La force contre électromotrice du moteur :
φΩ
" %
L’expression de la vitesse est :
Ω=
" −
Ω
φ
Comportement en charge :
Chute de tension ohmique augmente.
Terme (" %
) diminue.
Ωv
∆Ω
Ωn
Réduction du flux φ à cause de la RMI.
Terme ( φ) diminue aussi.
Conséquence :
Faible chute de vitesse (< 10%)
© M. ZEGRARI
0
Machines à
Courant Continu
a
an
70
Moteur Séparé : Caractéristique mécanique
Mise en équation :
Expressions du couple et de la vitesse en fonction du courant :
)
Ω=
=
'
=
=
Ω
Ω
φ
" −
φ
Le Couple électromagnétique peut s’écrire :
)
=
( φ) "
−
( φ)
Ω
Comportement en charge :
Évolution linéaire à forte pente : −
Tem
Temn
( φ)
(légère chute de la vitesse).
Caractéristique utile similaire à celle
Vitesse à vide
d’un moteur asynchrone à cage.
Ωn Ωv
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
Ω
71
Moteur CC : Excitation Shunt
Les enroulements de l’induit et de l’inducteur sont est connectés en parallèle :
a
e
e
a
m
Schéma électrique
ne
Inducteur
MCC
Re
Va
Ra
m
E
Va
Induit
Tension aux bornes de l’induit :
≈
"
Force contre électromotrice en charge :
=
π
φΩ=
φΩ
Les caractéristiques sont identiques à celles d’un moteur à excitation séparée.
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
72
Moteur CC : Excitation Série
Le circuit inducteur est connecté en série avec l’enroulement induit.
ns
Rs
a
a
Ra
MCC
Schéma électrique
Va
Va
E
Moteur Série
Tension Va aux bornes de l’induit :
Force contre électromotrice en charge :
© M. ZEGRARI
≈
"
φΩ
Machines à
Courant Continu
Ω
(saturation négligée)
73
Moteur Série : Caractéristique de couple
Mise en équation :
Couple électromagnétique délivré par le moteur :
'
=
= φ
Ω
Ω
Si on néglige la saturation et la RMI :
φ≈φ ≈
L’expression du couple devient :
)
)
=
=
φ
=(
Tem
)
Comportement en charge :
Consommation d’énergie optimisée.
comparée aux autres configurations.
Temn
Démarrage : d élevé
Temd élevé
Application : traction électrique.
0
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
a
an
74
Moteur Série : Caractéristique de vitesse
Mise en équation
La force contre électromotrice du moteur :
φΩ
" %
Si on néglige la saturation et la RMI :
φ≈φ ≈
Ω
L’expression de la vitesse devient :
"
−(
Contrairement au couple.
chute de vitesse importante avec
a.
Ω=
"
−(
+
φ
)
=
(
+
)
Limite de vitesse
admissible
)
Comportement en charge :
Ωn
Conséquence :
Fonctionnement à puissance constante
© M. ZEGRARI
0
Machines à
Courant Continu
a
an
75
Moteur Universel
Principe
Moteur CC série pouvant être alimenté en alternatif.
Couple électromagnétique : )
Présentation
≈(
)
>$
a
va
M
Applications
Moteur à grande vitesse alimenté en alternatif monophasé (10.000 à 20.000 tr/min)
Systèmes électrodomestiques, Outillages.
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
76
Moteur CC : Excitation Composée
Le flux inducteur est crée à la fois par :
Un enroulement série (S1-S2) connecté en série avec l’induit.
Un enroulement shunt (E1-E2) connecté en parallèle avec l’induit.
E1
S1
e
m
S2
E1
a
a
e
ns
m
ne
MCC
ne
Va
E2
ns
MCC
Va
E2
Montage “courte dérivation"
© M. ZEGRARI
S2
S1
Montage “longue dérivation"
Machines à
Courant Continu
77
Moteur Compound : Équations
Le circuit électrique équivalent est le suivant (courte dérivation) :
Courant
Rs
e
a d’alimentation :
a
m
Tension Va d’alimentation :
"
Si on néglige la chute eb :
"
Force magnétomotrice :
/
Re
Va
E
±
Flux d’excitation équivalent : φ
.
Force contre électromotrice :
≈
© M. ZEGRARI
Ra
.
±α
±α
φ.Ω≈
Machines à
Courant Continu
.
.
(saturation négligée)
Ω
(RMI supposée compensée)
78
Moteur Compound : Caractéristique de couple
L’expression du couple électromagnétique est :
)
=
φ.
=
(
)(
±α
Comme pour le cas des génératrices :
)
Tem
Moteur “à flux additif“ :
La pente est augmentée. Courbe
proche de celle du moteur série (α >>).
Consommation optimale.
−
Additif
Indépendant
Temn
Moteur “à flux soustractif“ :
Soustractif
La pente est diminuée. Le couple Tem
varie lentement avec le courant a.
Consommation élevée.
0
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
a
an
79
Moteur Compound : Caractéristique de vitesse
La vitesse Ω est calculée à partir de l’expression de la f.c.é.m. E :
φ.Ω≈
Avec :
.
Ω
%
"
L’expression de la vitesse est :
Ω=
" −(
+
(
)
±α
−
Ω
)
Soustractif
Ωv
Moteur “à flux additif“ :
Indépendant
Chute de vitesse plus importante que
celle d’un moteur shunt (ou séparé).
Additif
Moteur “à flux soustractif“ :
La diminution du flux inducteur entraîne
une sur-vitesse aux fortes charges.
0
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
a
an
80
Moteur Compound : Caractéristique mécanique
Les expressions du couple et de la vitesse sont :
)
Ω=
=
φ.
" −(
(
=
+
(
)
±α
−
±α
)(
)
−
)
Tem
Moteur “à flux additif“ :
Additif
Compromis entre moteur série (P = Cte)
Temn
et moteur shunt (Ω = Cte).
Grande stabilité de fonctionnement.
Indépendant
/ Shunt
Soustractif
Moteur “à flux soustractif“ :
Carcatéristique instable vis-à-vis des
charge entraînées usuelles.
Sans intérêt pratique.
© M. ZEGRARI
0
Machines à
Courant Continu
Ωv
Ω
81
Moteur CC : Comparaison
Caractéristiques de vitesse
Caractéristiques mécaniques
Ω
Tem
Série Additif
Soustractif
Ωv
Indépendant
/ Shunt
Indépendant
/ Shunt
Soustractif
Temn
Additif
Série
a
Ωv
an
Le moteur type shunt réalise la meilleure
performance en stabilité de vitesse.
© M. ZEGRARI
Ω
Le moteur “à flux additif“ assure une bonne
marge de stabilité (adapté aux charges dont
les variations de couple sont importantes).
Machines à
Courant Continu
82
Moteur CC : Bilan des puissances
Puissance
Électrique
'
"
Pertes
Constantes
Puissance
Électromagnétique
0 -
Pertes Fer
(Magnétiques)
'
1
Pertes
Mécaniques
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
(
Ω
Puissance
Mécanique
Pertes
Joules
(
)
(
'
) Ω
83
Moteur CC : Rendement
Le rendement d’un moteur à courant continu s’écrit :
η=
'
'
=
'
' + (+
(
)
=
) Ω
"
η%
Méthode directe :
On mesure le couple Tm
(génératrice balance, capteur).
100
On calcule la puissance Pm.
ηn
Méthode des pertes séparées
50
On calcule les pertes constantes pc.
(à partir de l’essai à vide).
On déduit la puissance mécanique Pm.
0
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
Pen/2
Pen
Pe
84
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Génératrice à Courant Continu
E Moteurs à Courant Continu
F
© M. ZEGRARI
Variation de la vitesse des Moteurs CC
Machines à
Courant Continu
85
Démarrage des Moteurs CC
Moteur CC à excitation indépendante : "
Problème
"
=
Au démarrage :
Ω=0
E=0
Ra étant en faible, il faut limiter le courant de démarrage d.
Solutions :
Augmenter progressivement la tension d’alimentation Va.
Ajouter un rhéostat externe de démarrage Rd :
=
"
+
Procédure de démarrage
Dimensionner la résistance de démarrage :
Courant de seuil
de démarrage
=
)<
φ
<
,
d
= 1.5 à 2
Courant maximal
admissible par le moteur.
Démarrer le moteur à flux maximal (couple de démarrage : )
© M. ZEGRARI
an
Machines à
Courant Continu
φ
)
86
Variation de la vitesse
Moteur d’étude
Moteur à courant continu à excitation séparée.
Équations simplifiés :
Expression de la vitesse :
Ω=
" −
=
φ
Caractéristique mécanique : Ω = Ω −
)
"
−
)
φ ( φ)
Ω =
"
φ
=Ω −
=
)
( φ)
Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem(Ω).
Paramètres de variation de la vitesse :
Résistance d’induit : Ra
Flux inducteur : φ
Tension d’alimentation : Va
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
87
Action sur le flux inducteur
Procédure :
Varier le courant inducteur
Ω =
=
e
d’excitation.
"
φ
Entraînement à couple résistant constant
Tem
φ1
( φ)
φ2
φ3
Tr
Mode de variation :
Modification de la vitesse à vide Ωv.
Modification de la pente m de la
caractéristique mécanique.
Ωv1
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
Ωv2
Ωv3
Ω
88
Action sur la tension d’alimentation
Procédure :
Varier la tension Va d’alimentation de l’induit.
Ω =
=
"
φ
Entraînement à couple résistant constant
Tem
( φ)
Va3
Va2
Va1
Tr
Mode de variation :
Vitesse à vide Ωv déplacée.
Pente m de la caractéristique mécanique
reste inchangée.
Ωv3
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
Ωv2
Ωv1
Ω
89
Caractéristiques de vitesse
Ω=
"
−
)
φ ( φ)
Caractéristiques mécanique Ω(Tem)
=Ω −
)
Caractéristiques électromécanique Ω(Va)
Ω
Ω
Tm1
Tm2
Tm3
Ωv1
Va1
Àv
ide
Ωv2
Va2
Ωv3
Va3
Tem
Courbes paramétrées en tension.
© M. ZEGRARI
Va
Courbes paramétrées en couple.
Machines à
Courant Continu
90
Modes de variation de la tension
Convertisseur Direct
Réseau
Continu
Hacheur Dévolteur
MCC
Ω
Charge
mécanique
Convertisseur Indirect
Réseau
Alternatif
Redresseur
À Diodes
Hacheur
MCC
Ω
Charge
mécanique
Convertisseur Direct
Réseau
Alternatif
© M. ZEGRARI
Redresseur Commandé
À Thyristors
Machines à
Courant Continu
MCC
Ω
Charge
mécanique
91
Modes de variation de la tension
icc
Hacheur 4 quadrants
Pont en H réversible en
courant et en tension.
T1
D1
ia
VCC
T2
D3
T3
D4
T4
MCC
va
D2
T
Double pont redresseur SCR
Redresseurs à thyristors
réversibles montés en inverse.
A
B
C
© M. ZEGRARI
Machines à
Courant Continu
LS
LS
L
M
A
B
L
C
92