Les Machines à Courant Continu

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1 Les Machines à Courant Continu
Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

2 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 Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI Réponse:

3 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI -Le champ d’induit Bi doit rester fixe si le champ d’excitation Be est fixe. Réponse: Un effort d'attraction

4 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

5 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Dans les machines à courant continu , le stator crée un champ magnétique fixe et le rotor lui présente un champ magnétique fixe lui aussi mais les conducteurs voient alternativement un courant dans un sens puis dans l’autre les parcourir, à l’aide du collecteur. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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 Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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 Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI Faire tourner de +22,5° Faire tourner de -22,5°

16 Principe d ’aiguillage du courant d ’induit
Pour aller plus loin… 1 Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 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 ? Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI -Quel est l’influence de la position des balais sur le fonctionnement ?

18 Force électromotrice: Fém.
Chaque conducteur est soumis à une variation de flux: la loi de Faraday nous indique qu’une tension induite apparait proportionnelle au flux coupé et à la vitesse à laquelle on coupe ce flux Champ dans l’entrefer Tension induite dans chaque conducteur Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI Pour diminuer l’intensité qui les traverse, les N conducteurs de l’induit sont répartis en 2a voies d’enroulement

19 Force électromotrice: Fém.
p: nombre de paires de pôles A: voies d’enroulement N: nbre de conducteurs : flux magnétique (Wb) : vitesse de rotation en rad/s Donc la fem a pour expression Soit E2 = (2 /1)E1 Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI Phénomène de saturation du matériau ferromagnétique

20 Constitution 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 Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI 5 1 2 3 7 4

21 Constitution Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations
Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

23 Vue en coupe Induit bobiné Inducteur Ventilateur Balais Boîte à bornes
Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI Collecteur

24 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

25 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

26 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

27 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

28 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%. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

29 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

30 Schéma Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations
Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

31 Modèle inducteur Alimenté en continu , il crée le champ au niveau du stator: C’est une bobine en continu donc seule sa résistance interne intervient dans le modèle électrique Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

32 Modèle induit Ses conducteurs soumis aux variations de champ magnétiques sont le siège de la tension induite E de la chute de tension Ri liée aux résistance des conducteurs à la chute de tension présente lors de régimes transitoires Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI Moteur Génératrice En régime quelconque En régime permanent

33 Couple électromagnétique
avec  angle entre le champ de l’inducteur et celui de l’induit. Pour la machine à courant continu, cet angle est égal à /2 Puissance électromagnétique Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

34 Equations de fonctionnement
Cem= k i Fe Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI E=k WFe

35 Modes d’excitation Excitation indépendante Cem=KI Excitation série
Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

36 Bilan des puissances Excitation indépendante
Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI La méthode voltamèremétrique permet de connaitre la résistance de l’induit et de l’inducteur Un essai à vide renseigne sur les pertes collectives PV =U.IV  Pfer + pertesméca =Pc pertes collectives

37 Caractéristiques MCC séparée
Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

38 Réglage de la vitesse Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple
Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

39 Caractéristiques MCC série
Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

40 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. Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI -In

41 Principe des dispositifs d’alimentation
Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI

42 La Réaction Magnétique d’Induit
Causes Les courants induits créent un champ Bi orthogonale à Be Les deux champs se superposent et la résultante est décalée Conséquences: L’induction est alors plus élevée et sature les pôles L’existence d’un flux dans l’air crée une inductance de fuite d’induit (plutôt faible car l’entrefer transversal est plutôt grand) Principe Fém. Constitution Schéma Modèle Couple Equations Excitation Puissance Caract MCC sep Regl Vitesse Caract MCC Série 4 quadrants RMI