1 Machine à courant continu MCC Présenté par Pr. Abdelwahed TOUATI

2 Domaines d’utilisation de la MCC Dans les domaines des faibles puissances ( 10W  500W) (Jouets, Perceuses, Equipement Electroménager etc.) Équipement automobiles (qlq centaines de Watt): (Essuie glaces, Lève vitres, Toits ouvrants etc.) Dans l’industrie (qlq kW à qlq centaine de kW) : (Machines d’imprimerie, Laminoirs, Ascenseur etc.) Pour les grandes puissances (> 500 kW), il était utilisé principalement comme moteur de traction ( remplacé par le moteur synchrone autopiloté puis par le moteur à commande vectorielle du flux)

3 Principales caractéristiques de la MCC Plage de variation de vitesse très grande ( > 1000 tr/mn en boucle d'asservissement) Couple de démarrage important, idéal pour l'entraînement de charges à forte inertie. Rendement élevé Linéarité tension/vitesse, couple/courant (Excitation séparé) Mais : Prix élevé Rapport volume/puissance élevé Maintenance coûteuse (remplacement des balais en graphite, usure du collecteur) Source importante de parasites (étincelles de commutation sur le collecteur) Problèmes de compatibilité Electromagnétique CEM)

4 Principe et constitution de la MCC Un moteur électrique se compose essentiellement d'une partie mobile : le rotor et d'une partie fixe : le stator. Le stator est l'inducteur de la machine. L'inducteur (bobinage alimenté par un courant continu ou aimant permanent) crée un champ magnétique dans l'entrefer (espace entre stator et rotor). Pôle magnétique de l'inducteur

5 Inducteur à base d’aimant permanent Il existe aussi des machines dont le champ magnétique inducteur est créé par des aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Mais, dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution. Pôle magnétique À aimant

6 Structure du Rotor de la MCC Le rotor est appelé l'induit. Il est constitué d'un bobinage, siège de la conversion électrique / mécanique. La grande majorité de la puissance électrique d'une MCC se concentre donc dans la partie tournante du moteur. Les courants circulant dans l'induit sont amenés par l'intermédiaire d'un balai de collecteur. Collecteur

7 Enroulement Imbriqué Enroulement ondulé Exécution du bobinage de l’induit Enroulement Imbriqué et Enroulement ondulé Lames du collecteur Balais borne + de l'alimentation continue

8 Balais et Porte-balais Porte balais relié par une tresse conductrice au câble d'alimentation Balais à base de graphite, ni trop dur, ni trop tendre Les balais alimentent l’ensemble des faisceaux reliés en série par les lames du collecteur

9 Principe de fonctionnement Les courants dans l’induit changent de sens de part et d’autre de la ligne neutre de telle sorte qu’ils produisent des efforts qui contribuent dans le même sens au couple électromagnétique. Le collecteur est un commutateur mécanique qui inverse le sens du courant dans les conducteurs qui franchissent la ligne neutre.

10 Schéma simplifié d'une MCC à deux paires de pôles, inducteur bobiné : Exemple de Machine Tétra polaire

11 Fonctionnement Moteur de la MCC Les bobinages de l'induit sont parcourus par un courant I (car induit alimenté par une source de tension). Or un conducteur parcouru par un courant I et placé dans une induction B reçoit sur chaque élément de longueur L un effort F ⃗ = I.L. B ⃗ (effort de Laplace). Cette force va donc être à l'origine du mouvement de l'arbre moteur.

12 Fonctionnement Moteur de la MCC

13 Fonctionnement en Générateur de la MCC Les conducteurs logés dans une encoche traversent un champ magnétique. Quand le rotor est entrainé en rotation, les conducteurs voient donc une variation de ce champ. Quand une spire est traversée par un champ magnétique variable, il y apparaît un courant dit « courant induit ». C’est la loi de LENZ.

14 Fonctionnement en Générateur de la MCC III III IV

15 Fonctionnement en Générateur de la MCC V A vitesse constante, la valeur de la fem est constante. Au cours du mouvement de rotation entre deux positions, elle varie.

16 Détermination de l’expression de la fem Un flux coupé par un conducteur engendre une force électromotrice induite dans ce dernier, dont le sens conventionnel est celui du courant et d’expression : Une encoche disposant de n conducteurs, la force électromotrice résultante d’une encoche vaut donc : On choisit comme intervalle de temps dt celui nécessaire pour effectuer une rotation élémentaire (d’une encoche à une autre). Ɵ

17 Détermination de l’expression de la f.e.m Si maintenant, on considère la force électromotrice totale engendrée par toute les encoches, on obtient : A flux constant, on obtient : La fem est proportionnelle à la fois au flux et à la vitesse de rotation.

18 Expression de la f.e.m d’une machine Multi polaire n: nombre de conducteurs actifs sous un pôle : flux sous un pôle N: fréquence de rotation en tr/s

19 Détermination de l’expression du couple La force élémentaire exercée par un conducteur s’exprime par: Ic étant le courant circulant dans un conducteur sur toute la longueur l, B est constant. Le couple exercé par un conducteur situé à une distance r (rayon du rotor) : Le couple exercé par toutes les encoches sous un pôle est exprimé par:

20 Détermination de l’expression du couple On définit le champ magnétique moyen sous un pôle par: On exprime le flux magnétique moyen traversant le ½ cylindre (Rotor sous un pôle): Le couple totale est exprimé alors par: L’expression du couple est proportionnelle à la fois au courant de l’induit et au flux Formule importante à retenir.

21 Réaction magnétique d’induit A cause du courant d’induit, il y’a apparition de lignes de champ verticales

22 Réaction magnétique d’induit Déformation des lignes de champ résultant Décalage de la ligne neutre Diminution du flux total embrassé par le bobinage Chute de tension au niveau de la fem engendrée

23 Réaction magnétique d’induit Compensation des effets de la réaction d’induit par insertion de pôles de compensation

24 Exemple de plaque signalétique d’une MCC Les caractéristiques électriques et mécaniques nominales sont inscrites sur une plaque lisible sur la machine (exemple ci-dessous).

25 Excitation séparée - inducteur = circuit indépendant (donc 2 alimentations) - alimentation continue pour l’induit Excitation série - induit et inducteur dans le même circuit - une alimentation unique en continu Excitation séparée UE’ I R rotor Excitation série U R stator E’ I R rotor Modèle électrique de la MCC fonctionnant en Moteur (régime permanent)

Bilan des puissances de la MCC (Fonctionnement en Moteur) 26 Pertes fer + Pertes méca = Pertes collectives = constante pour tout point de fonctionnement PJPJ Stator & Rotor

Couples développés pour une MCC Relation de définition Couple moteur P utile = C mot.  (1) Couple de pertes collectives P fer + P méca = C pertes.  (2) Couple électromagnétique C emag = C pertes + C mot 27 (1): la puissance se répartit entre couple moteur et vitesse (2) : pertes constantes, mesurées par un essai à vide

28 Moteur à excitation séparée Tension d’alimentation Avec Fcem induite  est imposé par l’inducteur seul Vitesse Couple électromagnétique E’ I R rotor U MCC Excitation (inducteur)

29 Moteur à excitation séparée nulle au démarrage ( =0) Au démarrage il y a surintensité Pour limiter la surintensité : Augmenter R rotor par un rhéostat de démarrage Démarrer à tension U faible Démarrage

30 Avec une alimentation variable il est possible de régler la vitesse Remarque : en régime permanent (et de limiter la surintensité au démarrage) Moteur à excitation séparée

31 Moteur à excitation séparée Caractéristique mécanique U1U1 U 2 > U 1 U 3 > U 2 U2U2 U3U3 U1U1 (rd/s) (N.m)

32 Moteur à excitation série e Excitation série R stator E’ I R rotor U Tension d’alimentation Avec Fcem induite Avec (Machine non saturée) Vitesse : Couple électromagnétique

33 régime établi ou permanent moteur charge, la charge impose le courant A vide, et si l’on néglige les pertes, Emballement du moteur Moteur à excitation série e

34 - Moteur à excitation série Caractéristique mécanique

35 - Moteur à excitation série Caractéristique mécanique Si les pertes sont négligées : R = 0 et C pertes = 0 C mot varie en 1/  2 Couple moteur élevé au démarrage, Exemple fort couple + faible vitesse (traction, laminoirs) Exemple faible couple + forte vitesse (centrifugeuse)

36 Décélération t(s) Vitesse Accélération couple d’accélération Régime établi définit le point de fonctionnement Couple de ralentissement Phases de fonctionnement en Moteur La relation fondamentale de la dynamique des masses en rotation, s’exprime par: J : Inertie de la machine (kg.m²)