La variation de vitesse de la machine à courant continu

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

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

3 Principe élémentaire 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 Réponse:

4 Principe élémentaire Un effort d'attraction
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 ? Mais le mouvement reste limité à cette nouvelle position stable. Conclusion: Il faut malgré le mouvement produit, maintenir le décalage des 2 champs pour entretenir un effort d’attraction continu et ainsi produire une rotation. 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. Réponse: Un effort d'attraction

5 Les deux types de machine à champs couplés
Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs. Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant. -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.

6 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5°

7 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

8 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

9 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

10 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

11 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

12 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

13 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
1 q 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 q. Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

14 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
q 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 q. 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

15 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
q 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 q. 1 Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

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

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

18 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.

19 Vue en coupe Induit bobiné Inducteur Ventilateur Balais Boîte à bornes
Collecteur Pour imprimer

20 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.

21 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.

22 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.

23 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.

24 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%.

25 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.

26 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

27 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

28 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°)

29 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

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

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

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

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

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

35 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

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

37 Principe des dispositifs d’alimentation
Cem In Quadrant 1 I>0aC>0 U>0aW>0 -Un Un Le dispositif d’alimentation fournit une puissance électrique. aCW>0 aFonctionnement en moteur avant W Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. -In

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

39 Principe des dispositifs d’alimentation
Cem In Quadrant 2 I>0aC>0 U<0aW<0 -Un Un Le dispositif d’alimentation reçoit une puissance électrique. aCW<0 aFonctionnement en génératrice arrière W Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. -In

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

41 Principe des dispositifs d’alimentation
Cem In Quadrant 3 I<0aC<0 -Un Un U<0aW<0 Le dispositif d’alimentation fournit une puissance électrique. W aCW>0 aFonctionnement en moteur arrière Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. -In

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

43 Principe des dispositifs d’alimentation
Cem In Quadrant 4 I<0aC<0 -Un Un U>0aW>0 Le dispositif d’alimentation reçoit une puissance électrique. W aCW<0 aFonctionnement en génératrice avant Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu. -In

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

45 Principe des dispositifs d’alimentation
Cem In Conclusion Fonctionnement en génératrice arrière Quadrant 2 G Fonctionnement en moteur avant Quadrant 1 M -Un Un Pour passer des quadrants Q1nQ4 ou Q2nQ3 le dispositif d’alimentation devra être réversible en courant. W Fonctionnement en moteur arrière Quadrant 3 M Fonctionnement en génératrice avant Quadrant 4 G Pour passer des quadrants Q1nQ2 ou Q3nQ4 le dispositif d’alimentation devra être réversible en tension. -In

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

47 Source d’alimentation alternative
Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion Im Réseau 1 2 3 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.

48 Source d’alimentation alternative
Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion Schéma de principe: I pont 1 Upont 1 C, Im Im Réseau Génératrice arrière Moteur avant 1 2 3 E,W Um 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 » Question : Comment réaliser la réversibilité en courant ? -En ajoutant un deuxième pont de Graëtz en anti-parallèle.

49 Source d’alimentation alternative
Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion I pont 1 Upont 1 Schéma de principe: I pont 2 Upont 2 Im Réseau 1 2 3 Um ….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….. ….il faut donc que je prenne des précautions pour passer d’un pont à l’autre…… ….surtout pas ensemble, sinon je risque le court-circuit direct avec le secteur…. Maintenant, comment vais-je commander les deux ponts ? …d’abord, commander l’annulation du courant du pont qui fonctionne… …de toutes façons, un seul pont à la fois peut conduire Im……. …bon, maintenant je dois pouvoir autoriser le fonctionnement de l’autre. J’ai compris….. E,W C, Im Moteur avant Génératrice arrière

50 Source d’alimentation alternative
Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion Réseau 1 2 3 Mesure courant Référence Régulateur de courant Validation pont1/pont2 Pour imprimer

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

52 Source d’alimentation alternative
Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion C, Im Upont 1<0 Onduleur Upont 1>0 Redresseur E,W Upont 2<0 Redresseur Upont 2>0 Onduleur 1 3 2 I pont 1 Upont 1 I pont 2 Upont 2 Réseau Im Um

53 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 : a Configuration 1 a Configuration 2 a Configuration 3 a Configuration 4 Les relevés…

54 Source d’alimentation continue
Cem W aConfiguration 1 M T1 T2 T4 T3 D1 D4 D2 D3 T1, T4 fermés T2, T3 ouverts D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes M

55 Source d’alimentation continue
Cem W aConfiguration 2 G T1 T2 T4 T3 D1 D4 D2 D3 T1, T4 ouverts T2, T3 ouverts D1, D4 ouvertes D2, D3 fermées G

56 Source d’alimentation continue
Cem W aConfiguration 3 M T1 T2 T4 T3 D1 D4 D2 D3 T1, T4 ouverts T2, T3 fermés D1, D4 ouvertes D2, D3 ouvertes M

57 Source d’alimentation continue
Cem W aConfiguration 4 G T1 T2 T4 T3 D1 D4 D2 D3 T1, T4 ouverts T2, T3 ouverts D1, D4 fermées D2, D3 ouvertes G

58 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 W 1 2 4 3 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 ?

59 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 W 1 2 4 3 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 ?

60 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 W 1 2 4 3 Relevé C 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 ?

61 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 W 1 2 4 3 Relevé D 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 ? Résumé..

62 Marche avant avec hacheur
MOTEUR AVANT GENERATRICE AVANT Suite…

63 Marche arrière avec hacheur
MOTEUR ARRIERE GENERATRICE ARRIERE

64 Les deux types de machine à champs couplés
Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs. Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant. -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.

65 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

66 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°)

67 Principe des dispositifs d’alimentation
Cem In Conclusion Fonctionnement en génératrice arrière Quadrant 2 G Fonctionnement en moteur avant Quadrant 1 M -Un Un Pour passer des quadrants Q1nQ4 ou Q2nQ3 le dispositif d’alimentation devra être réversible en courant. W Fonctionnement en moteur arrière Quadrant 3 M Fonctionnement en génératrice avant Quadrant 4 G Pour passer des quadrants Q1nQ2 ou Q3nQ4 le dispositif d’alimentation devra être réversible en tension. -In

68 Source d’alimentation alternative
Redresseur/ Onduleur à logique d’inversion C, Im Upont 1<0 Onduleur Upont 1>0 Redresseur E,W Upont 2<0 Redresseur Upont 2>0 Onduleur 1 3 2 I pont 1 Upont 1 I pont 2 Upont 2 Réseau Im Um

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

70 Marche avant avec hacheur
MOTEUR AVANT GENERATRICE ARRIERE

71 Marche arrière avec hacheur
MOTEUR ARRIERE GENERATRICE ARRIERE

72 Architecture de commande
Alimentation en tension Un signal de commande détermine l’amplitude de cette tension continue. Un convertisseur transforme le réseau triphasée en une source de tension continue réglable. Un convertisseur transforme le réseau triphasée en une source de tension continue réglable. Appliquée à l’induit de la MCC, cette tension détermine l’évolution du courant. 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. 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

73 Architecture de commande
Survitesse Surintensité 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.

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

75 Architecture de commande
Courant limité Chute de vitesse 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.

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

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