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 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 Machine à courant continu, IUP1 GMSIA, 2004. MCC TS

Rotation Energie Electrique CONVERTION ELECTRIQUE  MECANIQUE Fonctionnel GND 16 4 8 12 - + CONVERTION ELECTRIQUE  MECANIQUE Energie Electrique Rotation MCC TS

Rotation Energie Electrique MCC 12 V CONVERTION ELECTRIQUE  MECANIQUE Fonctionnel 4 8 12 4 8 12 16 16 MCC 12 V - + - + GND CONVERTION ELECTRIQUE  MECANIQUE Energie Electrique Rotation MCC TS

Fonctionnement N S S S S S S S MCC TS

Fonctionnement N S MCC TS

Fonctionnement F Alimentation I N S MCC TS

Fonctionnement Alimentation I F N S MCC TS

N S F I F Alimentation Fonctionnement Frottement entre balais et collecteur Alimentation MCC TS

N S I F F Alimentation Fonctionnement Frottement entre balais et collecteur Alimentation MCC TS

Enroulements d’induit Description interne Enroulements d’induit N S Stator Enroulements d’inducteur Si le moteur est à aimant permanent, ces enroulements n’existent pas. Rotor MCC TS

Description interne N N S S MCC TS

Description interne MCC TS

Description interne Parties tournantes : MCC TS

W (rd/s) = n (tr/mn) ´ 60 π 2 Putile (en Watt) = T (en N.m)   (rd/s) Mécanique... Vitesse de rotation : W (rd/s) = n (tr/mn) ´ 60 π 2 Moments de force : A l’équilibre, M1 = M2 Þ |F1| = |F2| ´ OA' OB' B F1 F2 A O A’ B’ Puissance : Putile (en Watt) = T (en N.m)   (rd/s) MCC TS

Si flux constant : K   = K Les relations fem :    Vitesse Flux E (V) E = K  Couple : T = K    I D’où : T   = E  I Si flux constant : K   = K E = K   T = K  I MCC TS

Les relations U I Alimentation L R Côté électrique : E F N S MCC TS

 J T J ´ dt Ω(t) d = T(t) L R E U I U I u(t) = e(t) + R.i(t) + L dt Les relations L R E U I U I Côté électrique : u(t) = e(t) + R.i(t) + L dt i(t) d Côté mécanique :  J ´ dt Ω(t) d = T(t) T(t) = TM(t) - TR(t) J T MCC TS

Les relations En régime permanent : dt d = 0 MCC TS

constant J T U = E + R.I J ´ dt Ω(t) d = 0 = T(t) I R Uconstant E Les relations I Côté électrique : R U = E + R.I E Uconstant Côté mécanique : constant J ´ dt Ω(t) d = 0 = T(t) TM(t) = TR(t) J T MCC TS

U = (r + R) I + E R r L’excitation Soit à aimant permanent Flux constant : K   = K E = K   T = K  I Soit à excitation indépendante : Flux constant si Ie constant : K   = K E = K   T = K  I Soit à excitation série : U R E r Inducteur Induit I U = (r + R) I + E E = K  (I)   T = K   (I)  I MCC TS

Puissance électromagnétique utile Bilan de puissance R.I² Pje EI Pm et Pf Pu U.I Induit Ue.Ie Inducteur EI Puissance électromagnétique utile Tu. Puissance utile Puissance à fournir h = Pfournie Putile UI Pje + Ω . Tu MCC TS

 = f(I) T = f()  A vide En charge I T Point de fonctionnement Caractéristiques  I  = f(I) Pour le fonctionnement nominal (en charge nominale) :  La tension nominale d’alimentation  La vitesse nominale n  Le couple nominal  Le courant nominal Pour un fonctionnement à vide :  Le courant à vide  La vitesse à vide 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) I0 0 A vide In n En charge 0 Tr,constant p Tp  T Charge Moteur T = f() Point de fonctionnement Td Au démarrage MCC TS

Exemple de MCC Type de Moteur MK72 320 MK72 360 Tension nominale 5,5 V Vitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mn Vitesse en charge nom. 2400 tr/mn Couple de démarrage min. 4,1 mNm 4,4 mNm Couple minimal 1 mNm 1,3 mNm Courant à vide maximal 34 mA 27 mA Courant en charge 71à 100 mA 69 à 98 Tension induite (fem/tr/mn) (mV/tr/mn) 1,53 à 1,98 1,91 à 2,45 Résistance du rotor 16 W 25,6 Inductance du rotor 16 mH 27 mH Moment d’inertie 9 gcm 2 Constante de temps mécanique 34 ms Force radiale max. 2,5 N Tension maximale 8 V 14 V Couple maximale 2 mNm Courant maximal 150 mA 120 mA Vitesse maximale 4200 tr/mn 2 27 22 5,6 MCC TS

J I L R U E  I T I0 IN  Exemple de MCC 0 N Tr, Tp p Type de Moteur MK72 320 MK72 360 Tension nominale 5,5 V 7,5 V Vitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mn Vitesse en charge nom. 2400 tr/mn Couple de démarrage min. 4,1 mNm 4,4 mNm Couple minimal 1 mNm 1,3 mNm Courant à vide maximal 34 mA 27 mA Courant en charge 71à 100 mA 69 à 98 Tension induite (fem/tr/mn) (mV/tr/mn) 1,53 à 1,98 1,91 à 2,45 Résistance du rotor 16 W 25,6 Inductance du rotor 16 mH 27 mH Moment d’inertie 9 gcm 2 Constante de temps mécanique 34 ms Force radiale max. 2,5 N Tension maximale 8 V 14 V Couple maximale 2 mNm Courant maximal 150 mA 120 mA Vitesse maximale 4200 tr/mn U E 0 N Tp  I T J Tr,  p MCC TS

Moteur / Génératrice U> 0 I U< 0 Quadrant 4 : Fonctionnement T = K.I T > 0 U> 0 I U< 0 Quadrant 4 : Fonctionnement génératrice Quadrant 1 : Fonctionnement moteur  = K.E  < 0  = K.E  > 0 Quadrant 3 : Fonctionnement moteur Quadrant 2 : Fonctionnement génératrice T = K.I T < 0 MCC TS

Commande Idée Solution M Valim Rb Ve Valim M MCC TS

Commande Ve Valim t IM M IM t Rb 100 V Vce Vce Ve t MCC TS

Commande Solution Ve Valim t IM IM Id t M Vce t Rb Vce Id t Ve MCC TS

Commande Ve t Valim UM T t0 Valim - VCEsat VF UM M Rb Ve MCC TS

M E Ve UM t Valim Valim VM UM M Commande Ve M E UM t Valim Valim VM T t0 UM M E = <UM> + <UR> + <UL> E  <UM> E = Valim.t0 / T E = Valim. Rb Ve On peut faire donc faire varier la vitesse du moteur ( = E/ K ) en faisant varier le rapport cyclique MCC TS

! Vérifier Puissance, Température Commande Valim Ve t M IC Rb Vce Vce MCC TS

Problème : Obligation de modifier le montage Tourner le moteur ! Commande Problème : Obligation de modifier le montage Valim Rb Ve IC Vce Tourner le moteur ! M Comment inverser le sens de rotation ? M MCC TS

M Vcc Commande par pont E T = K.I T > 0 I Quadrant 1 : Fonctionnement moteur  = K.E  < 0 Quadrant 3 : Fonctionnement moteur  = K.E  > 0 T = K.I T < 0 I MCC E TS

M Vcc UM I Commande par pont E T = K.I T > 0 I Quadrant 1 : Fonctionnement moteur  = K.E  < 0 Quadrant 3 : Fonctionnement moteur  = K.E  > 0 T = K.I T < 0 I MCC E TS

M Vcc UM I Commande par pont E T = K.I T > 0 I Quadrant 1 : Fonctionnement moteur  = K.E  < 0 Quadrant 3 : Fonctionnement moteur  = K.E  > 0 T = K.I T < 0 I MCC E TS

Commande par pont Réalisation Vcc M MCC TS

Commande par pont Vcc UM M I MCC TS

Commande par pont Vcc UM M I MCC TS

M Mesure du courant : Vcc Comparaison Rm.IM > Umax ? Mesure de Commande par pont Mesure du courant : Vcc Comparaison Rm.IM > Umax ? Rm.IM Umax Mesure de courant Rm.IM IM M Mise à l’arrêt du moteur si Rm.IM > Umax Rm.IM MCC TS

L 292 Composant de commande M Commande par pont Vcc 7 9 5 3 2 14 Ve 6 47 nF Rs1 Rs2 R 22 k 7 9 5 3 2 14 L 292 _ + OTA M _ + Ve 6 T1 _ + T3 1 _ + Comp. ALI 1 15 ALI 2 VR=8V T2 T4 Oscill. Ref. 11 10 8 RO 15 k CO 1,5 nF MCC 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 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). 6 5 1 2 3 7 4

Equations de fonctionnement Attention! Les séquences qui suivent sont sonorisées. Cem= k… Cem= k i… Cem= k i Fe E=k… E=k W … E=k WFe

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

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. Dans la pratique, on maximise le couple Cem par ampère en donnant au flux d’excitation sa valeur nominale, soit F= Fnominal. Avec K= k Fnominal

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

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

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

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

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

Caractéristiques électro-mécaniques Cem In Cem=K In -Un Un Un Un domaine fermé définit l’ensemble des couples ( Cem, W ) possibles pour une machine donnée. 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