La variation de vitesse des moteurs à courant continu

sommaire Technologie des moteurs Variation de vitesse freinage des moteurs Les aimants permanents

Technologie des moteurs rotor Auxiliaires de commutation 1B1, 1B2, 2B1, 2B2 Bobinage Induit A1-A2 Porte balai Inducteur F1-F2 Compensation C1-C2 Stabilisation D1-D2 collecteur Vue générale stator refroidissement

Voir catalogues constructeurs 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 retour

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)

Avec cette solution on peut régler la vitesse 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

Rotor ou induit Il est constitué de 3 parties le circuit magnétique le circuit électrique le collecteur

Rotor ou induit Le circuit magnétique On peut retenir : Le flux dans le CM est variable. Pour diminuer les pertes par hystérésis et courants de Foucault le CM est feuilleté On peut retenir : - tôles isolées à 3,5% de silicium, épaisseur 0,35 mm - des pertes de 3 W/kg pour une induction de 1T

Rotor ou induit Le circuit électrique (terminologie) 1 section c’est : 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

On rencontre 2 sortes de bobinage Rotor ou induit On rencontre 2 sortes de bobinage yc y2 y1 Bobinage imbriqué yc y2 y1 Bobinage ondulé Représentation panoramique Le choix des bobinages dépendra des courants et tensions appliquées à l ’induit. bobinage imbriqué : forte intensité, faible tension bobinage ondulé : faible intensité, forte tension Yc = pas au collecteur ; y1 = pas de bobine ou pas arrière ; y2 = pas avant retour

C’est l’élément qui limite le plus les performances du moteur Rotor ou induit retour Collecteur Départ d ’une section Retour d ’une section isolant Écrou de serrage Lame de cuivre Arbre rotor Couronne de positionnement C’est l’élément qui limite le plus les performances du moteur

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.

indications du constructeur en cas de remplacement de balais. 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 par exemple. Par mélange de graphite et de métal, fritté ensemble, on obtient une meilleure 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. Le choix des balais est encore aujourd'hui une affaire d'expérience. Il est donc vivement conseillé de suivre les indications du constructeur en cas de remplacement de balais. retour

réaction magnétique d ’induit RMI Ligne neutre N S N S W 1er : moteur à vide seul l’inducteur est alimenté. On a un champ uniforme. 2ème : induit seul alimenté. On a un champ transversal au champ inducteur. Ce champ est de plus faible intensité. C ’est lui qui crée la réaction magnétique d ’induit. 3ème : fonctionnement moteur. On a composition des 2 champs. Conséquence : - rotation de la ligne de neutre - renforcement des lignes de champs sous les cornes polaires d ’entrée - réduction des lignes de champs sous les cornes polaires de sortie

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

Uniquement pour les inducteurs bobinés 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 retour

Enroulement de stabilisation Enroulement inducteur F stabilisation F inducteur 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. retour

Pôles auxiliaires de commutation Ils limitent la production d’étincelles entre le collecteur et les balais par annulation du courant dans la section où le courant s ’inverse Ils sont câblés en série avec l’induit et se trouvent perpendiculaires à l ’axe de l ’inducteur 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) retour

Rôle des différents bobinages  3 : série stabilisation  : excitation  1 : auxiliaire de commutation  2 : compensation  3 : série stabilisation  4 : réaction d ’induit retour

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.

L ’évacuation des sources de chaleur se fait par 3 modes de transfert conduction rayonnement convection * naturelle * forcée

Excepté : robotique, équipement automobile, petite puissance. 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.

« Charge entraînante ou non. » Variation de vitesse Modèle équivalent On ne s’intéressera qu’à l’étude des Mcc à excitation indépendante à flux constant 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)

Rappel des expressions U = RI + eB + L dI/dt + E E = K x W x F C = K x I x F Dans notre cas E et I peuvent se ramener aux expressions suivantes : E = K’ . W C = K’ . I Avec K constante de machine K = 2 .  . Z . p / a 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)

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 la vitesse il suffit de faire varier la tension moyenne appliquée sur le moteur Si on modifie U alors on modifie W. Si le couple (charge) varie alors le courant varie.

Caractéristiques à flux constant Caractéristiques mécaniques  Caractéristiques à flux constant W U C3 C2 C1 à vide en charge Courbes paramétrées en C W C U1 U2 U3 Courbes paramétrées en U Variation de Umoy Mcc = W Source d ’énergie charge synoptique d ’un moto variateur (en B.O.)

C’est la puissance P = C . W qui définit la nature du fonctionnement. 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) C (I) moteur récepteur P > 0 générateur générateur P < 0 2 1 3 4 C’est la puissance P = C . W qui définit la nature du fonctionnement.

La structure interne des variateurs est liées à ces critères. 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.

Alimentation par le réseau Mcc = W Réseau électrique charge  Le variateur est un redresseur commandé : - soit avec un pont mixte ; - soit avec un pont complet.

Source Schneider Électrique gamme Rectivar Alimentation par le réseau monophasé P < 10 kW Pont PD2 mixte Double pont PD2 complet W C 1 W C 1 2 3 4 0,65 ….. 9,3 kW 0,6 ….. 8,6 kW Source Schneider Électrique gamme Rectivar

Source Schneider Électrique gamme Rectivar Alimentation par le réseau triphasé P > 3 kW Pont PD3 complet Double pont PD3 complet W C 1 W C 1 2 3 4 6 ….. 1690 kW 2,7 ….. 1530 kW Source Schneider Électrique gamme Rectivar

avec un pont mixte Schéma de principe Réseau M = DRL Th2 Th1 D1 D2 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.

Si on veut un 2ème sens de rotation moteur Réseau M = DRL Th2 Th1 D1 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

Ce bloc assure la fonction DRL Industriellement on utilise plutôt la structure suivante. Réseau M = Th2 Th1 D1 D2 Ce bloc assure la fonction DRL Les zones ombrées représentent des blocs intégrés.

avec un pont complet Schéma de principe Réseau M = Th2 Th1 Th4 Th3 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).

Si on veut un 2ème sens de rotation moteur 1ère solution Réseau M = Th2 Th1 Th 4 Th3 Les I.S. sont unidirectionnels en courant 2 sens de rotation. 4 quadrants de fonctionnement. Freinage statique (quadrant N°2 et 4). Il faut croiser les connexions sur le moteur (inversion de polarité) à l ’aide d’un contacteur. Solution peu retenue industriellement. Elle ne permet pas un freinage dynamique

2ème solution Réseau M = Th2 Th1 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)

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.

Alimentation continue Mcc = W Réseau continu charge Le variateur est un hacheur de type série. Le réseau continu provient : - soit de batteries - soit d’un redresseur à diode

Principe du hacheur Composant de base du hacheur : commande UM M = DRL HACHEUR E IM T t1 1 Signal de commande T t1 1 Etat logique du hacheur T t1 E UM Tension moteur Composant de base du hacheur : - transistor bipolaire, - transistor MOS, - transistor IGBT, - thyristor. DI IM Courant moteur Le choix dépend essentiellement de la puissance, de la date de création.

Quadrant de fonctionnement W C 1 Moteur P > 0 4 Générateur P < 0 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.

2 sens de rotation On peut utiliser un contacteur comme dans la solution “ redresseur ”. On préfère une structure “ pont en H ” qui nous permet de fonctionner dans les 4 quadrants. Il faut réaliser une inversion de polarité sur les bornes de l’induit. On aura le fonctionnement dans les quadrants 1 et 3. M = UM IM E T1 T2 T3 T4

Quadrant de fonctionnement W C 1 3 moteur 2 4 générateur Pour travailler dans les 4 quadrants il est nécessaire que les I.S. et que la source soient réversibles en courant. sommaire

Freinage du moteur à courant continu

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.

Point de fonctionnement W C 1 3 moteur 2 4 générateur Passage du quadrant 1 vers 2 sur une variation de couple brutale (la vitesse ne peut pas varier instantanément.) 2 cas peuvent se présenter Passage du quadrant 1 vers 4 lors d’une inversion de vitesse. (Le couple ne peut pas varier instantanément)

Redresseur commandé avec un pont mixte Réseau M = DRL Th2 Th1 D1 D2 Module de freinage Aucune possibilité de freinage par le variateur rajout d ’un module de freinage

Redresseur commandé avec un pont complet Réseau M = Th2 Th1 Th4 Th3 Module de freinage 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.

Hacheur avec un interrupteur statique commande UM M DRL HACHEUR E IM Le freinage peut se faire sans modification de la structure si l’interrupteur statique et la source sont réversibles en courant. Il faut alors surveiller la tension aux bornes de la source afin qu’elle ne devienne pas trop importante (tenue des composants en tension). Dans le cas d’une impossibilité de la réversibilité de la source on rajoute un module de freinage

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.

Exemple Sur un équipement de levage le moteur doit fournir le profil de vitesse et de couple suivant t W rd/s Cmot Nm 4 1 2 157 A B C D E F

On peut en déduire la nature de la réversibilité statique et dynamique du moteur. Cela permet de faire le choix du moto-variateur moteur générateur W C 1 3 2 4 157 -157 B C A D F E sommaire

Les aimants permanents

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

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.

(faiblement magnétique) Matériau anti ferromagnétique 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)

H H Les domaines s’orientent tous dans le même sens. Inégaux et parallèle 2 à 2 opposés Matériau ferrimagnétique (ex : les ferrites) formule générale : X Fe2 O4 avec X = Co ; Ni ; Cu ; Zn Matériau ferromagnétique (ex : fer)

- Br : induction rémanente Cycle d ’hystérésis H(kA/m) B(T) |BH| (kJ/m3) Br |BH|max Hc Les constructeurs fournissent une grandeur supplémentaire importante pour le dimensionnement des CM qui est l ’énergie spécifique. - Hc : champ coercitif Un aimant est un générateur. On caractérise les aimants à partir du quadrant 2. On l ’appelle la courbe de désaimantation. - Br : induction rémanente - |BH|max : énergie spécifique (facteur de qualité)

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)

Caractéristique des aimants

Attention à la température. Si le point de Curie est dépassé, les matériaux magnétiques perdent leur qualité. Ils ne retrouvent pas forcément leur propriété après refroidissement .

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 lf, Rf Ha, Ba la, Sa F À partir du théorème d’Ampère on démontre que : Constante = pente D1 C’est la caractéristique externe du CM

Point de fonctionnement du CM Ha Ba C. externe (pente D1) Br Hc La pente de la droite de recul est la tangente en Br C. interne 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

On ajoute un entrefer (retrait du rotor) lf, Rf Ha, Ba la, Sa le, Se, 0 F Constante = pente D2 Pente D1 < pente D2

Nouveau point de fonctionnement du CM C. interne C. externe (pente D1) P P’ Ha Ba C. externe (pente D2) Br Hc Si le champ H varie, on décrit des « mini » cycles d ’hystérésis très étroit autour de la droite de recul (déplacement de p’).

On referme l’entrefer (remise en place du rotor) C. externe (pente D1) Ha Ba Br Hc C. interne P’ C. externe (pente D2) Le point de fonctionnement du CM sera en P’’. H et B seront inférieurs aux valeurs avant démontage.

Il ne faut pas aller au-delà des coudes de désaimantation. 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.

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 ».

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

Anisotrope : qualifie un corps (ou un milieu) dont les propriétés 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