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La variation de vitesse des
moteurs à courant continu
1
sommaire
 Technologie des moteurs
 Variation de vitesse
freinage des moteurs
 Les aimants permanents
2
Technologie des moteurs
Auxiliaires de
commutation
1B1, 1B2, 2B1, 2B2
rotor
Bobinage Induit A1-A2
Porte balai
Inducteur F1-F2
Compensation C1-C2
Stabilisation D1-D2
collecteur
Vue générale
stator
refroidissement
3
Stator
On peut retenir 3 parties :
- fixation du moteur
(bride ou support de fixation)
- la boite à bornes (câblage)
- la culasse
Voir catalogues
constructeurs
La culasse forme la partie extérieure.
Sa fonction :
- Supporter tous les éléments constitutifs d ’une MCC
- Guider les lignes du champ inducteur.
Elle peut être constituée d ’acier massif car le flux est fixe
retour4
Inducteur
Il magnétise la machine par l ’intermédiaire
d’un champ fixe constant ou réglable.
2 solutions sont possibles pour cela :
- bobine + pièce polaire (page suivante)
- aimant permanent (un chapitre lui est consacré)
5
Inducteur
Le bobinage est réalisé en fil
de cuivre de section plus
faible que celui de l’induit
(excitation indépendante)
L’inducteur peut être massif, mais le passage de la denture de l’induit
provoque une pulsation de flux dans la partie des épanouissements
polaires. Pour cette raison on réalise les pôles inducteurs en un
assemblage de tôles magnétiques (acier à 3,5% de silicium).
Avec cette solution on peut régler la vitesse
retour 6
Rotor ou induit
Il est constitué de 3 parties
le circuit magnétique
le collecteur
le circuit électrique
7
Rotor ou induit
Le circuit magnétique
Onflux
peutdans
retenir
: est variable. Pour diminuer les pertes par
Le
le CM
- tôles
isolées et
à 3,5%
de silicium,
épaisseur
mm
hystérésis
courants
de Foucault
le CM0,35
est feuilleté
- des pertes de 3 W/kg pour une induction de 1T
8
Rotor ou induit
Le circuit électrique (terminologie)
Têtes de bobinage
(chignons)
1 section c’est :
= 2 faisceaux
= x spires
1 faisceau =
x brins
Lame du collecteur
Représentation d ’une section
Les sections sont montées dans les encoches de l ’induit
9
Rotor ou induit
On rencontre 2 sortes de bobinage
y1
y2
y1
y2
yc
Bobinage imbriqué
yc
Bobinage ondulé
Représentation
Le choix des bobinages
dépendrapanoramique
des courants et tensions
appliquées à l ’induit.
Yc = pas au collecteur ; y1 = pas de bobine ou pas arrière ; y2 = pas avant
bobinage imbriqué : forte intensité, faible tension
bobinage ondulé : faible intensité, forte tension
retour10
Rotor ou induit
retour
Collecteur
Départ d ’une section
Couronne de
positionnement
Lame de cuivre
Retour d ’une section
Arbre rotor
Écrou de serrage
isolant
C’est l’élément qui limite le plus les performances du moteur
11
Balais et porte-balais
L’usure du balai provoque la
mise en court-circuit du
collecteur (flash).
Nécessité de souffler, avec de
l ’air comprimé, le collecteur et
les porte-balais
Un balai couvre environ la largeur de 1 lame et demi.
La pression du balai est assurée par un ressort.
La matière utilisée pour les balais est à base de graphite.
La chute de tension eB due à un balai est d’environ 0,3V à 3V.
12
Sélection des balais
* Charbon dur (8A/cm2). Pour appareil ménager et moteur universel en
général. Usure importante du collecteur.
* Charbon électrographite (12A/cm2). Les performances sont excellentes pour
les applications les plus diverses.
* Charbon graphite (12A/cm2). Adapté aux petits moteurs à courant continu,
pour l'automobile
Le choixpar
desexemple.
balais est encore aujourd'hui une affaire
d'expérience. Il est donc vivement conseillé de suivre les
Par mélange
de graphite
et de métal,enfritté
on obtientde
une
meilleure
indications
du constructeur
cas ensemble,
de remplacement
balais.
conductivité électrique et un effet lubrifiant.
* Charbon graphite - cuivre (25A/cm2). Ce type de balai est bien adapté aux
faibles tensions et la résistance à l'usure est grande.
* Charbon graphite - argent (2OA/cm2). la chute de tension aux bornes est
très faible. Bien adapté pour les tachys et les instruments de mesure.
retour13
réaction magnétique d ’induit RMI
Ligne neutre
S S
NN
W
1er : :moteur
vide
3ème
fonctionnement
moteur. On a composition des 2 champs.
2ème
induit àseul
alimenté.
seula l’inducteur
est alimenté.
Conséquence
: transversal
On
un champ
au champ inducteur.
On
a un champ
uniforme.
-Ce
rotation
de
neutre
champ
estladeligne
plusde
faible
intensité.
-Crenforcement
deslalignes
de champs
sous les
cornes polaires d ’entrée
’est lui qui crée
réaction
magnétique
d ’induit.
- réduction des lignes de champs sous les cornes polaires de sortie
14
Correction de la RMI
En fonctionnement moteur la RMI entraîne une diminution
du flux inducteur donc une augmentation de la vitesse
Par des pôles de compensation sur des machines de
puissance supérieure à 150 kW
Par des enroulements de stabilisation sur des
machines de puissance supérieure à 10 kW
Par des pôles de commutation sur des machines de
puissance supérieure à 1 kW
Ces valeurs de puissance sont indicatives car elles varient d’un
constructeur à l’autre suivant les dispositions technologiques adoptées
15
Pôles de compensation
Ils sont placés dans les
épanouissements polaires
et sont connectés en série
avec l’induit.
Ils produisent un flux
inverse de la RMI.
Uniquement pour les inducteurs bobinés
retour16
Enroulement de stabilisation
Enroulement
de
stabilisation
Enroulement
inducteur
F inducteur
F stabilisation
Il est connecté en série avec l’induit de façon à
produire un flux additif ( sur l ’inducteur).
Il limite les effets de la RMI.
retour17
Pôles auxiliaires de commutation
Ils limitent la production
Ils sont câblés en série avec
d’étincelles entre le collecteur
l’induit et se trouvent
et les balais par annulation
perpendiculaires à l ’axe de
du courant dans la section où
l ’inducteur
le courant s ’inverse
Pour des machines de petite puissance (1 à 10 kW), on
utilise cet enroulement pour faire la compensation de
la réaction magnétique d ’induit (RMI)
retour18
Rôle des différents bobinages
 : excitation
 1 : auxiliaire de commutation
 2 : compensation
 3 : série stabilisation
 4 : réaction d ’induit
retour19
Refroidissement
Inducteur
elles peuvent être plus importantes que dans l’induit.
Les principales sources de chaleur .
Elles sont essentiellement dues aux pertes par
effet joule dans les conducteurs électriques
Induit
Dans le cas d’un inducteur à aimant
il n’y pas de pertes à ce niveau.
20
L ’évacuation des sources de chaleur
se fait par 3 modes de transfert
conduction
rayonnement
convection
* naturelle
* forcée
21
Refroidissement
sommaire
Du point de vue industriel lorsqu’on installe une Mcc, c’est
pour l’utiliser associée à un variateur
on fixe un ventilateur qui fonctionne indépendamment de la
Mcc. La circulation d’air dans l’entrefer est ainsi forcée.
Excepté : robotique, équipement automobile, petite puissance.
22
Variation de vitesse
Modèle équivalent
I
R
L
On ne s’intéressera qu’à l’étude des Mcc
à excitation
indépendante à flux constant
Uinduit
E
en application moteur.
« Charge entraînante ou non. »
R : résistance du bobinage de l’induit
L : inductance du bobinage de l’induit
E : fcem dans l ’induit due au mouvement de rotation du rotor
(champ inducteur coupé par les sections de l’induit)
23
Rappel des expressions
U
= RInotre
+ eBcas
+ LEdI/dt
+E
Dans
et I peuvent
se ramener
aux expressions
Avec
K constante
de machine
suivantes :
K=2..Z.p/a
E=KxWxF
E = K’ . W
C=KxIxF
C = K’ . I
Z = nombre de conducteurs dans une encoche
p = nombre de paires de pôles
a = nombre de paires de voies
W = vitesse de rotation en rad/s
F = flux inducteur en Wb
I = courant d’induit en A
eB = chute de tension aux balais (négligée)
24
Simplification des expressions
Dans un premier temps on considère que :
- La chute de tension aux bornes de la résistance reste faible.
- Le courant est suffisamment lissé pour que LdI/ dt = 0.
On obtient les expressions suivantes :
U  K’W
I  C / K’
Pour faire varier
Si on modifie
la vitesse
U ilalors
suffit
ondemodifie
faire varier
W. la tension
Si le couple
(charge)
varie alors
courant varie.
moyenne
appliquée
sur le moteur
25
Caractéristiques mécaniques
Caractéristiques à flux constant
en charge
W
W
C1
U3
C2
C3
U2
U1
U
C
Courbes paramétrées en U
Source
d ’énergie
Variation
de Umoy
Courbes paramétrées en C
Mcc
=
W
charge
synoptique d ’un moto variateur (en B.O.)
26
Les grandeurs U et I sont positives ou négatives ;
donc les grandeurs mécaniques sont positives ou
négatives.
Cela définit les quadrants de fonctionnement
mécanique et électrique.
W
(U)
générateur
moteur
moteur
2
1
3
4
C (I)
générateur
C’est la puissance P = C . W qui définit
la nature du fonctionnement.
récepteur P > 0
générateur P < 0
27
Structures des variateurs
Plusieurs critères sont à prendre en compte :
- nature de la source d ’énergie (continue ou alternative) ;
- 1 ou 2 sens de rotation ;
- charge entraînante ou non ;
- freinage naturel ou forcé ;
- puissance du moteur ;
- le moteur fonctionne en couple ou en vitesse ;
- etc....
La structure interne des variateurs est liées à ces critères.
On se limitera à la prise en compte des 4 premiers critères.
28
Alimentation par le réseau
Réseau
électrique

=
Mcc
=
W
charge
Le variateur est un redresseur commandé :
- soit avec un pont mixte ;
- soit avec un pont complet.
29
Alimentation par le réseau monophasé
P < 10 kW
Pont PD2 mixte
Double pont PD2 complet
W
W
1
0,65 ….. 9,3 kW
C
2
1
3
4
C
0,6 ….. 8,6 kW
Source Schneider Électrique gamme Rectivar
30
Alimentation par le réseau triphasé
P > 3 kW
Double pont PD3 complet
Pont PD3 complet
W
W
1
6 ….. 1690 kW
C
2
1
3
4
C
2,7 ….. 1530 kW
Source Schneider Électrique gamme Rectivar
31
avec un pont mixte
Th1
Th2
Réseau
DRL
D1
M
=
D2
Schéma de principe
 Les I.S. sont unidirectionnels en courant
(non réversible en couple).
 Un seul sens de rotation.
1 quadrant de fonctionnement (N°1).
 Aucune contrainte de freinage.
32
Si on veut un 2ème sens de rotation moteur
Th1
Th2
Réseau
D1
DRL
M
=
D2
Il faut croiser les connexions sur le moteur
(inversion de polarité) à l’aide d’un contacteur
 2 quadrants de fonctionnement (N°1 et 3).
 Les conclusions précédentes restent identiques
33
Industriellement on utilise plutôt la structure suivante.
Th1
D1
Réseau
Th2
M
=
D2
Ce bloc assure la
fonction DRL
Les zones ombrées représentent des blocs intégrés.
34
avec un pont complet
Th1
Th2
Réseau
Th4
M
=
Th3
Schéma de principe
 Les I.S. sont unidirectionnels en courant
(non réversible en couple).
 2 sens de rotation.
 2 quadrants de fonctionnement (N°1 et 2).
 Freinage statique (quadrant N°2).
35
Si on veut un 2ème sens de rotation moteur
1ère solution
Th1
Th2
Réseau
Th 4
M
=
Th3
Il fautcroiser
connexions
sur leenmoteur
Les I.S.les
sont
unidirectionnels
courant(inversion de
2 àsens
de rotation.
polarité)
l ’aide
d’un contacteur.
 4 Solution
quadrantspeu
de fonctionnement.
retenue industriellement.
 Freinage statique (quadrant N°2 et 4).
Elle ne permet pas un freinage dynamique
36
2ème solution
Th1
Th2
Réseau
Th4
Th1
Th2
M
=
Th3
Réseau
Th4
Th3
 Les I.S. sont unidirectionnels en courant
 2 sens de rotation.
 4 quadrants de fonctionnement.
 Freinage statique et dynamique (quadrant N°2 et 4).
Il faut gérer le passage de la conduction d’un pont sur
l’autre (passage Q2
Q3 et Q1
Q4)
37
Industriellement le pont complet n’est utilisé que dans le
cas où la récupération d’énergie est possible (levage,
traction,….).
De plus le facteur de puissance d’un pont mixte est
supérieur à celui d’un pont complet.
Le dimensionnement des constituants sera mieux optimisé.
38
Alimentation continue
Réseau
continu
=
=
Mcc
=
W
charge
Le variateur est un hacheur de type série.
Le réseau continu provient :
- soit de batteries
- soit d’un redresseur à diode
39
Principe du hacheur
HACHEUR
1
0
IM
E
commande
DRL
M
=
UM
Composant de base du hacheur :
- transistor bipolaire,
- transistor MOS,
- transistor IGBT,
- thyristor.
1
0
UM
E
IM
t1
T
Signal de commande
t1
T
Etat logique du hacheur
t1
T
Tension moteur
DI
Courant moteur
Le choix dépend essentiellement de la puissance, de la date de création.
40
Quadrant de fonctionnement
W
Moteur
P>0
Générateur
P<0
4
1
C
Avec ce type de hacheur on peut travailler dans un
quadrant (1) ou 2 quadrants (1 et 4) suivant la
réversibilité en courant de l’interrupteur statique et de
la source.
41
2 sens de rotation
On peut utiliser un contacteur comme dans la solution
faut réaliser
“ Ilredresseur
”. une inversion de polarité sur les bornes de
l’induit.
aura
le fonctionnement
quadrants
On
préfèreOn
une
structure
“ pont en Hdans
” quiles
nous
permet 1deet 3.
fonctionner dans les 4 quadrants.
T1
T2
IM
E
T4
M
=
UM
T3
42
Quadrant de fonctionnement
W
moteur
générateur
moteur
2
1
3
4
C
générateur
Pour travailler dans les 4 quadrants il est nécessaire que
les I.S. et que la source soient réversibles en courant.
sommaire
43
Freinage du moteur
à courant continu
44
Dans le cas où il est nécessaire de ralentir la charge il y a
plusieurs solutions pour dissiper l’énergie cinétique
emmagasinée par le rotor et la charge :
- Freinage mécanique (non abordé dans ce chapitre)
- Utilisation d’un module de freinage (résistance
électrique) dans lequel vient débiter la Mcc.
- Renvoi de l’énergie dans la source.
45
Point de fonctionnement
W
moteur
générateur
moteur
2
1
3
4
C
générateur
Passage du quadrant 1 vers 2 sur une variation de couple brutale
2 cas peuvent
présenter
(la vitesse
ne peut passevarier
instantanément.)
Passage du quadrant 1 vers 4 lors d’une inversion de vitesse.
(Le couple ne peut pas varier instantanément)
46
Redresseur commandé avec un pont mixte
Th1
Th2
Réseau
DRL
D1
M
=
Module
de
freinage
D2
Aucune possibilité de freinage par le variateur
rajout d ’un module de freinage
47
Redresseur commandé avec un pont complet
Th1
Réseau
Th4
Th2
M
=
Module
de
freinage
Th3
Ce convertisseur nous permet de travailler dans les
quadrants 1 et 2. Il est donc possible d’avoir un freinage par
inversion de la tension (renvoi de l’énergie sur le réseau).
Par contre la réversibilité en courant n’est pas possible.
Une solution consiste à rajouter un module de freinage. On a
alors un freinage possible dans les quadrants 2 et 4.
48
Hacheur avec un interrupteur statique
HACHEUR
IM
DRL
E
M
UM
commande
Le freinage peut se faire sans modification de la
Il faut alors surveiller la tension aux bornes de la source afin qu’elle
structure si l’interrupteur statique et la source sont
ne devienne pas trop importante (tenue des composants en tension).
réversibles en courant.
Dans le cas d’une impossibilité de la réversibilité
de la source on rajoute un module de freinage
49
Hacheur avec un pont en H
Le freinage peut se faire sans modification de la
structure à condition que :
-les interrupteurs statiques soient réversibles en
courant.
-La source d’alimentation soit réversible en
courant.
Dans le cas d’une non réversibilité de la source, ce qui
est souvent le cas du point vue industriel, et que par
ailleurs on désire un freinage rapide, il faut rajouter un
module de freinage aux bornes de la source.
50
Exemple
Sur un équipement de levage le moteur doit
fournir le profil de vitesse et de couple suivant
W 157
rd/s
t
Cmot 4
Nm 2
1
A
B
C
D
E
F
t
51
On peut en déduire la nature de la réversibilité
statique et dynamique du moteur.
Cela permet de faire le choix du moto-variateur
W
2
157
générateur
1
B
A
C
moteur
C
1
moteur
4
F
D
3
2
E
-157
générateur
4
sommaire
52
Les aimants permanents
53
On les retrouve dans toutes sortes d ’applications
Électrotechnique : moteur, soufflage d ’arc,……..
Électronique : haut-parleur, tube TV, ………..
Mesure : débitmètre, capteur vibration, ………
Divers : crochets de porte, aimants souples, …..
Un article publié par la société ARELEC dans la revue Technologie N°93 de
janv/fév 1998 permet d ’avoir une idée des nombreuses applications possibles
54
Interprétation par la théorie des domaines de Weïss
A l ’intérieur d’un domaine (10-9 cm3) tous les moments
magnétiques sont orientés dans le même sens
En présence d ’une excitation
magnétique H le comportement
sera différent suivant les matériaux.
55
H
H
Les domaines restent orientés
de façon quelconque
Égaux et parallèle
2 à 2 opposés
Matériau amagnétique
(faiblement magnétique)
Matériau anti ferromagnétique
(ex : le chrome)
56
H
Les domaines s’orientent tous
dans le même sens.
Matériau ferromagnétique
(ex : fer)
H
Inégaux et parallèle
2 à 2 opposés
Matériau ferrimagnétique
(ex : les ferrites)
formule générale : X Fe2 O4
avec X = Co ; Ni ; Cu ; Zn 57
Cycle d ’hystérésis
B(T)
Br
Hc
H(kA/m)
|BH|
(kJ/m3)
|BH|max
Les constructeurs fournissent
une
grandeur
- Hc : champ
coercitif
Un aimant est un
générateur.
supplémentaire
importante
pour le dimensionnement des
: induction
rémanente
On qui
caractérise
les- Br
aimants
à partir
du quadrant 2.
CM
est l ’énergie
spécifique.
On l ’appelle la courbe de désaimantation.
- |BH|max : énergie spécifique (facteur de qualité)
58
Les aimants actuellement disponibles
Ils se retrouvent sous 3 formes :
-les alnico (aluminium, nickel, cobalt)
-les ferrites (obtention par frittage à chaud)
-les composées métaux-terres rares (Sm-Co et Nd-Fe-B)
59
Caractéristique des aimants
60
Ferrite
Alnico
Samarium
Cobalt
Néodyne
Fer
Bore
Énergie spécifique
Bhmax (kJ/m3)
30
60
200
320
Densité
(g/cm3)
5
7,3
8,4
7,5
Coefficient de
température
-0,2
-0,02
-0,03
-0,6
(% par degré K)
Attention à la température.
Point de Curie
Si(°C)
le point de Curie
magnétiques
450 est dépassé,
740 à 860 les matériaux
720 à 820
310
Prix
perdent
leur qualité. Ils ne retrouvent pas forcément leur
(F/kg en 1995)
20
200
1350
1000
propriété
après
refroidissement
.
Production (t/an)
300 000
Qques
1 800
3 400
milliers
avantage
Prix faible Stabilité
H et Hc élevé
H et Hc élevé
Hc élevé
thermique
Compact
Compact
H important
inconvénient
Cassant
Hc faible
Corrosion
Corrosion
Tolérances Coût fluctuant Prix
Coefficient de
limitées
Sujet aux courants de température
Faucoult
Disponibilité.
Difficile à magnétiser
61
Démontage d’un moteur
Que se passe-t-il lorsqu’on retire le rotor d’un moteur ?
Afin de simplifier, imaginons le circuit magnétique suivant
Ha, Ba
la, Sa
F
lf, Rf
À partir du théorème d’Ampère on démontre que :
la
Ba   Ha
Rf . Sa
Constante
=
pente D1
C’est la caractéristique
externe du CM
62
Point de fonctionnement du CM
P
C. externe (pente D1)
Ba
Br
La pente de la droite de recul
est la tangente en Br
C. interne
Ha
Hc
Si le champ H varie, on décrit des « mini » cycles d ’hystérésis très étroit.
C’est le lieu de déplacement du point P.
On peut le confondre avec une droite qu’on appelle la droite de recul
63
On ajoute un entrefer (retrait du rotor)
lf, Rf
Ha, Ba
la, Sa
Ba   Ha
F
la
Sa.le
 Rf .Sa
 0 Se
le, Se, 0
Constante
=
pente D2
Pente D1 < pente D2
64
Nouveau point de fonctionnement du CM
P
P’
C. externe (pente D1)
C. externe (pente D2)
Ba
Br
C. interne
Ha
Hc
Si le champ H varie, on décrit des « mini » cycles d ’hystérésis
très étroit autour de la droite de recul (déplacement de p’).
65
On referme l’entrefer (remise en place du rotor)
P’’
C. externe (pente D1)
C. externe (pente D2)
Ba
Br
C. interne
Ha
Hc
P’
Le point de fonctionnement du CM sera en P’’.
H et B seront inférieurs aux valeurs avant démontage.
66
Tant que la caractéristique interne est confondue avec la droite
de recul il n ’y aura pas de perte d ’aimantation.
Il ne faut pas aller au-delà des coudes de désaimantation.
Remarque : la droite de recul et la C. externe du Sm Co sont confondues.
67
sommaire
Montage des aimants
Alnico : ce sont des aimants fondus et aimantés en place. Ils
sont très cassants. Les formes peuvent être diverses.
Utilisé dans des petites puissances
Ferrites et terres rares : ce sont des aimants obtenus par
frittage dans des formes simples. Ils sont difficiles à usiner et
sont souvent associés à des pièces polaires pour canaliser le
flux magnétique.
Généralement les ferrites sont utilisés dans les petites
puissances (< 1 kW) mais ce sont celles qui ont le plus
d ’applications diverses. Leur support peut être souple ou
rigide. Ils sont pour la plupart du temps « anisotrope ».
68
FIN
Bibliographie aimants permanents :
- extraits du « guide des aimants » publié par la société ARELEC paru dans
les revues Technologie N°92, 93 et 94.
- Technique de l ’ingénieur volume D2 I génie électrique
Jean-François Ansoud Lycée du Val de Saône 01606 Trévoux
69
Anisotrope : qualifie un corps (ou un milieu) dont les propriétés
varient selon une direction privilégiée dans l’espace.
Isotrope : qualifie un corps (ou un milieu) dont les propriétés
sont identiques quelque soit la direction dans l’espace.
retour
70