La variation de vitesse de la machine à courant continu  LES PRINCIPES DE LA MACHINE A COURANT CONTINULES PRINCIPES DE LA MACHINE A COURANT CONTINU  LES CONVERTISSEURS STATIQUESLES CONVERTISSEURS STATIQUES  L ’ARCHITECTURE DE COMMANDE DES ENSEMBLES CONVERTISSEUR/MACHINEL ’ARCHITECTURE DE COMMANDE DES ENSEMBLES CONVERTISSEUR/MACHINE

Les principes de la machine à courant continu  Constitution  Principe Principe  Technologie Technologie  Equations de fonctionnementEquations de fonctionnement  Caractéristiques électromécaniquesCaractéristiques électromécaniques  Principe des dispositifs d ’alimentationPrincipe des dispositifs d ’alimentation

Soit un aimant permanent produisant un champ d ’excitation Be et une spire parcourue par un courant continu produisant un champ Bi. qu'observe-t-on Principe élémentaire Réponse:

Principe élémentaire Réponse: Un effort d'attraction Mais le mouvement reste limité à cette nouvelle position stable. Il faut malgré le mouvement produit, maintenir le décalage des 2 champs pour entretenir un effort d’attraction continu et ainsi produire une rotation. Conclusion: Comment ? -Le champ d’excitation Be doit tourner si le champ d’induit Bi tourne. -Le champ d’induit Bi doit rester fixe si le champ d’excitation Be est fixe. Soit un aimant permanent produisant un champ d ’excitation Be et une spire parcourue par un courant continu produisant un champ Bi. qu'observe-t-on ?

Les deux types de machine à champs couplés -Le champ d’excitation Be doit tourner si le champ d’induit Bi tourne. -Le champ d’induit Bi doit rester fixe si le champ d’excitation Be est fixe. Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs. Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant.

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°  représente l’angle entre les axes magnétiques du champ Bi d’induit et Be de l’inducteur.  On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l’angle .

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Faire tourner de -22,5° Pour aller plus loin…

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit 1 Pour aller plus loin… -Comment pourrait-on réduire l’ondulation du couple ? -Quel est l’influence de la position des balais sur le fonctionnement ?

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 aimants permanents - 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.à enroulements et pièces polaires.pôles auxiliaires

Vue en coupe Boîte à bornes Ventilateur Induit bobinéInducteur Balais 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 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. 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.

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 électro- graphitiques, 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…. 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 E=k… Cem= k… Cem= k i… Cem= k i  e E=k  … E=k  e Attention! Les séquences qui suivent sont sonorisées.

Equations de fonctionnement En résumé: Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont : 1°) 2 °) E=k  e 3°) Cem= k i  e 4°)

Caractéristiques électro-mécaniques Dans un problème de motorisation, la charge entraînée impose au moteur de développer un couple électromagnétique Cem et une vitesse  adaptés aux nécessités de fonctionnement. Il est donc nécessaire pour un moteur donné, de définir l’ensemble des points de fonctionnement atteignables. Avec K= k  nominal Dans la pratique, on maximise le couple Cem par ampère en donnant au flux d’excitation sa valeur nominale, soit  nominal.

Caractéristiques électro-mécaniques Cem  I1 -I1 Cem=K I1

Caractéristiques électro-mécaniques Cem  I2 -I2 Cem=K I2

Caractéristiques électro-mécaniques Cem  In -In Cem=K In

Caractéristiques électro-mécaniques Cem  In -In Cem=K In U1-U1

Caractéristiques électro-mécaniques Cem  In -In Cem=K In U2 -U2

Caractéristiques électro-mécaniques Cem  In -In Cem=K In Un -Un Un domaine fermé définit l’ensemble des couples ( Cem,  ) possibles pour une machine donnée. Question : Quelle est la nature du fonctionnement correspondant aux quatre points d’intersection des droites limites ? UnUn

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un Quadrant 1

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un  C  >0  Fonctionnement en moteur avant U>0   I>0  C>0 Quadrant 1 Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. Le dispositif d’alimentation fournit une puissance électrique.

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un Quadrant 1Quadrant 2

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un  C  0  Fonctionnement en génératrice arrière U<0   I>0  C>0 Quadrant 2 Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. Le dispositif d’alimentation reçoit une puissance électrique.

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un Quadrant 1Quadrant 2 Quadrant 3

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un  C  >0  Fonctionnement en moteur arrière U<0   I<0  C<0 Quadrant 3 Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. Le dispositif d’alimentation fournit une puissance électrique.

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un Quadrant 1Quadrant 2 Quadrant 4Quadrant 3

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un  C  0  Fonctionnement en génératrice avant U>0   I<0  C<0 Quadrant 4 Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. Le dispositif d’alimentation reçoit une puissance électrique.

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un Quadrant 1Quadrant 2 Quadrant 4Quadrant 3 Conclusion

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un Fonctionnement en moteur avant Quadrant 1 M Fonctionnement en génératrice arrière Quadrant 2 G Fonctionnement en moteur arrière Quadrant 3 M Fonctionnement en génératrice avant Quadrant 4 G Pour passer des quadrants Q1 Q4 ou Q2 Q3 le dispositif d’alimentation devra être réversible en courant. Pour passer des quadrants Q1 Q2 ou Q3 Q4 le dispositif d’alimentation devra être réversible en tension. Conclusion

Les convertisseurs statiques  SOURCE D’ALIMENTATION ALTERNATIVE Redresseur/onduleur à logique d’inversion  SOURCE D’ALIMENTATION CONTINUE Hacheur en pont complet

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion Réseau Im Um Pour que la machine évolue dans les quatre quadrants, le dispositif de conversion alternatif/continu devra être: -réversible en tension ( marche avant ou arrière ). -réversible en courant ( fonctionnement moteur ou générateur ). Question : Comment réaliser la conversion alternatif/continu ? -Avec un pont de Graëtz à thyristor.pont de Graëtz

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion Schéma de principe: Réseau Im Um I pont 1 Upont 1 E,  C, Im Moteur avant Génératrice arrière Question : Comment réaliser la réversibilité en courant ? -En ajoutant un deuxième pont de Graëtz en anti-parallèle.deuxième pont de Graëtz La nature unidirectionnelle des thyristors du pont 1 impose: Im = I pont1 avec Im > 0 Lorsque le convertisseur fonctionne en redresseur, Um = Upont 1 avec Um > 0 « Le réseau alimente la machine » Lorsque le convertisseur fonctionne en onduleur, Um = Upont 1 avec Um < 0 « La machine alimente le réseau »

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion Schéma de principe: I pont 2 Upont 2 Réseau Im Um I pont 1 Upont 1 E,  C, Im Moteur avant Génératrice arrière Génératrice avant Moteur arrière Maintenant, comment vais-je commander les deux ponts ? ….surtout pas ensemble, sinon je risque le court-circuit direct avec le secteur…. …de toutes façons, un seul pont à la fois peut conduire Im……. ….il faut donc que je prenne des précautions pour passer d’un pont à l’autre…… …d’abord, commander l’annulation du courant du pont qui fonctionne… ….ensuite, lorsque le courant est nul, bloquer la commande du pont et attendre 4 à 5 ms pour être sûr qu’il est bien bloqué….. …bon, maintenant je dois pouvoir autoriser le fonctionnement de l’autre. J’ai compris…..

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion Réseau Mesure courant Référence courant Régulateur de courant Validation pont1/pont2 Pour imprimer

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion C, Im E,  Upont 1<0 Onduleur Upont 2>0 Onduleur Upont 1>0 Redresseur Upont 2<0 Redresseur I pont 1 Upont 1 I pont 2 Upont 2 Réseau Im Um

Source d’alimentation continue Un fonctionnement dans les 4 quadrants du plan couple/vitesse nécessitent 4 interrupteurs. Ils autorisent l’alimentation du moteur sous une tension +Ualim/-Ualim. L’association parallèle transistor-diode leur confère la réversibilité en courant nécessaire au fonctionnement dans les 4 quadrants. Fonctionnement :  Configuration 1  Configuration 1  Configuration 2  Configuration 2  Configuration 3  Configuration 3  Configuration 4  Configuration 4 Les relevés…

Source d’alimentation continue  Configuration 1 M Cem  M T1, T4 fermés T2, T3 ouverts D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes T1 T2T4 T3 D1 D4D2 D3

Source d’alimentation continue  Configuration 2 G Cem  G T1, T4 ouverts T2, T3 ouverts D1, D4 ouvertes D2, D3 fermées T1 T2T4 T3 D1 D4D2 D3

Source d’alimentation continue  Configuration 3 M Cem  M T1, T4 ouverts T2, T3 fermés D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes T1 T2T4 T3 D1 D4D2 D3

Source d’alimentation continue  Configuration 4 G Cem  G T1, T4 ouverts T2, T3 ouverts D1, D4 fermées D2, D3 ouvertes T1 T2T4 T3 D1 D4D2 D3

Source d’alimentation continue Le relevé ci-dessous représente l’évolution du courant et de la tension aux bornes du moteur à courant continu. Cem  Relevé A Questions: -A quelles configurations ( 1, 2, 3, ou 4) de fonctionnement ces courbes font-elles références ? -A quel quadrant correspondent- elles si on raisonne en valeur moyenne ?

Source d’alimentation continue Le relevé ci-dessous représente l’évolution du courant et de la tension aux bornes du moteur à courant continu. Cem  Relevé B Questions: -A quelles configurations ( 1, 2, 3, ou 4) de fonctionnement ces courbes font-elles références ? -A quel quadrant correspondent- elles si on raisonne en valeur moyenne ?

Source d’alimentation continue Le relevé ci-dessous représente l’évolution du courant et de la tension aux bornes du moteur à courant continu. Questions: -A quelles configurations ( 1, 2, 3, ou 4) de fonctionnement ces courbes font-elles références ? -A quel quadrant correspondent- elles si on raisonne en valeur moyenne ? Cem  Relevé C

Source d’alimentation continue Le relevé ci-dessous représente l’évolution du courant et de la tension aux bornes du moteur à courant continu. Questions: -A quelles configurations ( 1, 2, 3, ou 4) de fonctionnement ces courbes font-elles références ? -A quel quadrant correspondent- elles si on raisonne en valeur moyenne ? Cem  Relevé D Résumé..

MOTEUR AVANT GENERATRICE AVANT Marche avant avec hacheur Suite…

Marche arrière avec hacheur MOTEUR ARRIEREGENERATRICE ARRIERE

Les deux types de machine à champs couplés -Le champ d’excitation Be doit tourner si le champ d’induit Bi tourne. -Le champ d’induit Bi doit rester fixe si le champ d’excitation Be est fixe. Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs. Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant.

Pour archiver…. 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 En résumé: Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont : 1°) 2 °) E=k  e 3°) Cem= k i  e 4°)

Principe des dispositifs d’alimentation Cem  In -In Un -Un Fonctionnement en moteur avant Quadrant 1 M Fonctionnement en génératrice arrière Quadrant 2 G Fonctionnement en moteur arrière Quadrant 3 M Fonctionnement en génératrice avant Quadrant 4 G Pour passer des quadrants Q1 Q4 ou Q2 Q3 le dispositif d’alimentation devra être réversible en courant. Pour passer des quadrants Q1 Q2 ou Q3 Q4 le dispositif d’alimentation devra être réversible en tension. Conclusion

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion C, Im E,  Upont 1<0 Onduleur Upont 2>0 Onduleur Upont 1>0 Redresseur Upont 2<0 Redresseur I pont 1 Upont 1 I pont 2 Upont 2 Réseau Im Um

Source d’alimentation alternative Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion

MOTEUR AVANTGENERATRICE ARRIERE Marche avant avec hacheur

Marche arrière avec hacheur MOTEUR ARRIEREGENERATRICE ARRIERE

Architecture de commande Alimentation en tension Un convertisseur transforme le réseau triphasée en une source de tension continue réglable. Un signal de commande détermine l’amplitude de cette tension continue. Appliquée à l’induit de la MCC, cette tension détermine l’évolution du courant. Le couple moteur engendré, détermine alors l’évolution de la vitesse de la ligne d’arbre. Un convertisseur transforme le réseau triphasée en une source de tension continue réglable. Un signal de commande détermine l’amplitude de cette tension continue. Appliquée à l’induit de la MCC, cette tension détermine l’évolution du courant. Le couple moteur engendré, détermine alors l’évolution de la vitesse de la ligne d’arbre. Relevé du démarrage et de la mise en charge du moteur

Architecture de commande Surintensité Survitesse Question : Comment supprimer la surintensité transitoire ? - En alimentant la machine en courant. Un asservissement de courant impose la commande du convertisseur. Ainsi, l’alimentation progressive en tension de l’induit interdit les surintensités.asservissement de courant

Architecture de commande Alimentation en tension contrôlée en courant Relevé du démarrage et de la mise en charge du moteur

Architecture de commande Chute de vitesse Courant limité Question : Comment supprimer la chute de vitesse ? - En contrôlant aussi la vitesse Un asservissement de vitesse impose la consigne de courant d’induit nécessaire au suivi d’une consigne de vitesse.asservissement de vitesse

Architecture de commande Alimentation en tension contrôlée en vitesse et limitée en courant Relevé du démarrage et de la mise en charge du moteur

Architecture de commande Courant limité Vitesse maintenue Asservissement de courant : plus de surintensité Asservissement de vitesse : plus de chute de vitesse