Inducteur
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Electrotechnique: Electricité Avion, La machine à Courant Continu Dr Franck Cazaurang, Maître de conférences, Denis Michaud, Agrégé génie Electrique, Institut de Maintenance Aéronautique UFR de Physique, Université Bordeaux I Composant : Le Moteur à courant continu MCC TS Sommaire: MCC • • • • • • • • • • • • • • • MCC Fonctionnel Mcc Fonctionnement Machine à Courant Continiu Description interne Mécanique... Les relations L’excitation Bilan de puissance Caractéristiques Exemple de MCC Moteur / Génératrice Commande Commande par pont Photos: inducteur + MCC Rappel des caractéristiques électro-mécaniques Les modes d’excitation de la MCC TS Fonctionnel 4 0 - 8 12 16 + 0 GND 4 8 - Energie Electrique MCC 12 16 + CONVERTION ELECTRIQUE MECANIQUE Rotation TS Fonctionnel 4 0 - 8 12 16 + 0 GND 4 8 - Energie Electrique MCC 12 16 + MCC 12 V CONVERTION ELECTRIQUE MECANIQUE Rotation TS Fonctionnement N S MCC TS Fonctionnement N S MCC TS Fonctionnement F I N S F Alimentation MCC TS Fonctionnement F I N S F Alimentation MCC TS Fonctionnement F I N S F Frottement entre balais et collecteur MCC Alimentation TS Fonctionnement N I F F Frottement entre balais et collecteur MCC S Alimentation TS Description interne Enroulements d’induit Stator Enroulements d’inducteur N S Si le moteur est à aimant permanent, ces enroulements n’existent pas. Stator Rotor MCC TS Description interne N MCC S N S TS Description interne MCC TS Description interne Parties tournantes : MCC TS Mécanique... Vitesse de rotation : 2 π W (rd/s) = n (tr/mn) 60 Moments de force : A l’équilibre, M1 = M2 |F1| = |F2| OB' OA' B F2 A F1 A’ Puissance : MCC O B’ Putile (en Watt) = T (en N.m) W (rd/s) TS Les relations fem : Vitesse E = K W E (V) Flux Couple : T=KI D’où : TW=EI Si flux constant : K = K E = K W T = K I MCC TS Les relations L Côté électrique : U I R E F I N S F MCC Alimentation TS Les relations I Côté électrique : L U u(t) = di(t) e(t) + R.i(t) + L dt Côté mécanique : d Ω(t) J = T(t) dt T(t) = T (t) - T (t) M MCC R E W J T R TS Les relations En régime permanent : d =0 dt MCC TS Les relations I Côté électrique : U = E + R.I Uconstant E Wconstant Côté mécanique : d Ω(t) J = 0 = T(t) dt TM(t) = TR(t) MCC R J T TS L’excitation Soit à aimant permanent Flux constant : K = K E = K W N S T = K I Soit à excitation indépendante : Flux constant si Ie constant : K = K E = K W T = K I Soit à excitation série : r R U Inducteur I T=K E Induit MCC E = K (I) W (I) I U = (r + R) I + E TS Bilan de puissance R.I² Pm et Pf U.I Induit Ue.Ie Inducteur Puissance à fournir MCC EI Tu.W Puissance électromagnétique utile Puissance utile EI Pu Pje h= Tu . Ω Putile = Pfournie Pje + UI TS Caractéristiques W W0 A vide Wn En charge W = f(I) I0 I Pour un fonctionnement à vide : Le courant à vide La vitesse à vide In T Td Point de fonctionnement T = f(W) Au démarrage Moteur Tr,constant Charge Tp MCC Pour le fonctionnement nominal (en charge nominale) : La tension nominale d’alimentation La vitesse nominale Wn Le couple nominal Le courant nominal Wp W0 W Pour le démarrage : Le couple minimal de démarrage Le courant maximal supportable Ils précisent aussi : La résistance d’induit La valeur de l’inductance d’induit Le moment d’inertie du rotor La constante de couple (K) TS Exemple de MCC (mV/tr/mn) MCC Résistance du rotor Inductance du rotor Moment d’inertie Constante de temps mécanique Force radiale max. Tension maximale Couple maximale Courant maximal Vitesse maximale 16 W 16 mH 9 gcm2 34 ms 25,6 W 27 mH 9 gcm2 34 ms 2,5 N 8V 2 mNm 150 mA 4200 tr/mn 2,5 N 14 V 2 mNm 120 mA 4200 tr/mn 2 5,6 MK72 360 7,5 V 3200 tr/mn 2400 tr/mn 4,4 mNm 1,3 mNm 27 mA 69 à 98 mA 1,91 à 2,45 22 MK72 320 5,5 V 3000 tr/mn 2400 tr/mn 4,1 mNm 1 mNm 34 mA 71à 100 mA 1,53 à 1,98 27 Type de Moteur Tension nominale Vitesse à vide Vitesse en charge nom. Couple de démarrage min. Couple minimal Courant à vide maximal Courant en charge Tension induite (fem/tr/mn) TS Exemple de MCC Type de Moteur Tension nominale Vitesse à vide Vitesse en charge nom. Couple de démarrage min. Couple minimal Courant à vide maximal Courant en charge Tension induite (fem/tr/mn) (mV/tr/mn) Résistance du rotor Inductance du rotor Moment d’inertie Constante de temps mécanique Force radiale max. Tension maximale Couple maximale Courant maximal Vitesse maximale MCC I MK72 320 5,5 V 3000 tr/mn 2400 tr/mn 4,1 mNm 1 mNm 34 mA 71à 100 mA 1,53 à 1,98 MK72 360 7,5 V 3200 tr/mn 2400 tr/mn 4,4 mNm 1,3 mNm 27 mA 69 à 98 mA 1,91 à 2,45 16 W 16 mH 9 gcm2 34 ms 25,6 W 27 mH 9 gcm2 34 ms 2,5 N 8V 2 mNm 150 mA 4200 tr/mn 2,5 N 14 V 2 mNm Tp 120 mA 4200 tr/mn L U W0 WN R E W I T I0 IN J Tr, Wp W0 W TS Moteur / Génératrice T = K.I T>0 U< 0 I W = K.E W<0 U> 0 Quadrant 4 : Quadrant 1 : Fonctionnement Fonctionnement génératrice moteur Quadrant 3 : Quadrant 2 : Fonctionnement Fonctionnement moteur génératrice U< 0 I MCC I W = K.E W>0 U> 0 T = K.I T<0 I TS Commande Idée Valim Solution M M Valim Ve MCC Rb TS Commande Ve Valim t IM M IM t Rb 100 V Vce Vce Ve t MCC TS Commande Solution Ve IM Valim t IM t M Vce t Id Rb Id MCC t Vce Ve TS Commande Ve UM t Valim T t0 UM Valim - VCEsat VF MCC M Rb Ve TS Commande Ve t Valim Valim VM T t0 M UM E = <UM> + <UR> + <UL> E <UM> E = Valim.t0 / T E = Valim. E UM M Rb Ve On peut faire donc faire varier la vitesse du moteur (W = E/ K ) en faisant varier le rapport cyclique MCC TS Commande ! Ve Valim t M IC Vérifier t Rb Vce t IC Vce Ve Puissance, Température MCC TS Commande M Comment inverser le sens de rotation ? Tourner le moteur ! Valim M Rb IC Vce Ve Problème : Obligation de modifier le montage MCC TS Commande par pont Vcc M E I T = K.I T > 0 Quadrant 1 : W = K.E Fonctionnement W<0 moteur Quadrant 3 : Fonctionnement I moteur MCC E W = K.E W>0 T = K.I T<0 TS Commande par pont Vcc UM I M E I T = K.I T > 0 Quadrant 1 : W = K.E Fonctionnement W<0 moteur Quadrant 3 : Fonctionnement I moteur MCC E W = K.E W>0 T = K.I T<0 TS Commande par pont Vcc UM I M E I T = K.I T > 0 Quadrant 1 : W = K.E Fonctionnement W<0 moteur Quadrant 3 : Fonctionnement I moteur MCC E W = K.E W>0 T = K.I T<0 TS Commande par pont Réalisation Vcc M MCC TS Commande par pont Vcc UM I MCC M TS Commande par pont Vcc UM I MCC M TS Commande par pont Mesure du courant : Vcc Rm.IMIM Umax M Rm.IM MCC Mise Comparaison à l’arrêt du Rm.IM moteur siRm.I Rm.I > >Umax Umax? Mesure MM de courant TS Commande par pont Composant de commande Vcc C R 22 kW 47 nF 7 L 292 9 Rs1 5 3 OTA _ Rs2 2 14 + _ Ve 6 + ALI 1 + VR=8V Ref. _ ALI 2 T3 Comp. + 1 M 15 T2 T4 Oscill. 11 RO 15 kW MCC T1 _ 10 8 CO 1,5 nF TS Synthèse: Machine à Courant Continu : MCC Inducteur Deux types d ’excitation sont utilisées, soit : - à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution. - à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l ’excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit. Vue en coupe Induit bobiné Inducteur Ventilateur Balais Boîte à bornes Collecteur Pour imprimer Inducteur Deux types d ’excitation sont utilisées, soit : - à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution. - à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l ’excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit. Inducteur Deux types d ’excitation sont utilisées, soit : - à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution. - à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l ’excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit. Inducteur Deux types d ’excitation sont utilisées, soit : - à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution. - à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l ’excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l ’induit. Induit bobiné Le champ inducteur vu par l’induit au cours d’un tour est variable. Il faudra feuilleter le rotor afin de réduire les pertes fer de l’induit. Il est donc constitué de tôles circulaires isolées et empilées sur l’arbre de façon à obtenir le cylindre d’induit. Ces tôles sont en acier au silicium et isolées par vernis. Les bobines de l ’induit sont logées dans des encoches fermées par des cales. Un frettage assure la tenue aux efforts centrifuges. Les bobines sont brasées aux lames du collecteur et mises en série. On note l ’importance des têtes de bobines et du collecteur ( partie inactive )sur la longueur de la machine. 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. Pour des raisons d’économie, ils doivent avoir une durée de vie aussi longue que possible et assurer un bon contact électrique. Différentes technologies existent : les balais au charbon dur, les graphitiques, les électrographitiques, et les métallo-graphitiques. On peut considérer que dans un contact glissant les pertes sont de nature mécanique à 35% et de nature électrique à 65%. Collecteur Le collecteur a pour fonction d’assurer la commutation du courant d’alimentation dans les conducteurs de l’induit. Il est essentiellement constitué par une juxtaposition cylindrique de lames de cuivre séparées par des lames isolantes. Chaque lame est reliée électriquement au bobinage induit. Le collecteur est le constituant critique des machines à courant continu car ses lames sont soumises aux efforts centrifuge et assemblées manuellement. Son usure consécutive du frottement des balais nécessite un démontage et un ré-usinage périodiques. De plus, il accroît de 20 à 30% la longueur totale de la machine. Pour archiver…. 6 5 1 2 3 7 4 Sur cette vue écorchée, on peut aisément voir : L’induit (1) avec ses encoches recevant les conducteurs en cuivre (absents ici) perforés 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). Le système de fixation par pattes (7). Equations de fonctionnement Attention! Les séquences qui suivent sont sonorisées. i i R L E U M ie Ce em U di U Ri L E dt E=k… E=k W … E=k WFe Cem= k… Cem= k i… Cem= k i Fe CemCrJ dW dt Cr W J Equations de fonctionnement i En résumé: U R L E ie Ce Cr Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont : di U Ri L E 1°) dt 2°) E=k WFe 3°) Cem= k i Fe 4°) CemCrJ dW dt W J Caractéristiques électro-mécaniques Dans un problème de motorisation, la charge entraînée impose au moteur de développer un couple électromagnétique Cem et une vitesse W adaptés aux nécessités de fonctionnement. Il est donc nécessaire pour un moteur donné, de définir l’ensemble des points de fonctionnement atteignables. CemkFI Cem WU RI kF Dans la pratique, on maximise le couple Cem par ampère en donnant au flux d’excitation sa valeur nominale, soit F Fnominal. W Cem KI W U R2 Cem K K Avec K= k Fnominal Caractéristiques électro-mécaniques Cem I1 I1 Cem=K W -I1 Caractéristiques électro-mécaniques Cem I2 Cem=K I2 W -I2 Caractéristiques électro-mécaniques Cem In In Cem=K W -In Caractéristiques électro-mécaniques Cem -U1 In In Cem=K U1 W -In K K Cem U1 W R R 2 Caractéristiques électro-mécaniques Cem -U2 In In Cem=K U2 K K Cem U2 W R R 2 W -In Caractéristiques électro-mécaniques Cem -Un In In Cem=K K K Un W Cem U R R 2 Un Un domaine fermé définit l’ensemble des couples ( Cem, W ) possibles pour une machine donnée. n W Question : Quelle est la nature du fonctionnement correspondant aux quatre points d’intersection des droites limites ? -In Excitation des MCC Classification des Machines Eletriques
