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Machine à courant continu - PowerPoint by malj

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									                     Les actionneurs électriques




                  Étude de la MACHINE
                  A COURANT CONTINU


  Sébastien
 GERGADIER                                 Sébastien GERGADIER
Lycée Richelieu                               Lycée Richelieu
    TSI 1
                             Les actionneurs électriques
                                                    Plan de la présentation


                  Introduction
                  Constitution d’une MCC
                        Le Stator
                        Le Collecteur
                        Le Rotor
                  Modèles et caractéristiques d’une MCC
                        Caractéristique Couple / Vitesse
                        Réglage de la vitesse d’une MCC
  Sébastien
 GERGADIER
                  Détermination expérimentale des paramètres
Lycée Richelieu
    TSI 1
                              Les actionneurs électriques
                                                                            Introduction

                  CHAINE D’ENERGIE / INFORMATION




                                                                             AGIR




                                                                 Énergie
                                      Énergie
                                                                Mécanique
                                     Électrique

  Sébastien                                        Convertisseur
 GERGADIER                                        Électromécanique
Lycée Richelieu                                    ACTIONNEUR
    TSI 1
                                  Les actionneurs électriques
                                                                                Introduction
                   Les différents actionneurs électriques :
                            MAS = Machine Asynchrone
                            MS = Machine Synchrone
                             MCC = Machine à Courant continu
                  Les MCC ne sont plus utilisées en forte puissance, mais persistent en
                  faible puissance (qqs W à qqs kW). Elles sont remplacées par des
                  machines à courant alternatif (MAS ou MS).
                  Application de la MCC :
                  TGV Paris Sud-Est




  Sébastien
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    TSI 1
                                  Les actionneurs électriques
                                                                                  Introduction

                  Pourquoi alors l’étudier ?

                  Son étude est importante, car sa commande est aisée et facile, et, les
                  commandes modernes des machines à courant alternatif, tentent de
                  s’approcher de celle d’une MCC.

                  En effet, on a pour une MCC :
                           Ω proportionnelle à U
                           I proportionnel au couple Γ

                  La majorité des actionneurs électriques sont aujourd’hui utilisés à vitesse
                  variable, en asservissement de vitesse, de position ou de couple.

                  Donc, la MCC s’adapte très bien à ces fonctionnements.


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                                  Les actionneurs électriques
                                                                              Constitution
                  Les différents constituants :
                           Stator ou Inducteur : Partie fixe
                           Rotor ou Induit : Partie mobile
                           Entrefer : Espace séparant le stator et le rotor




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                                 Les actionneurs électriques
                                                                               Constitution
                  LE STATOR ou INDUCTEUR

                  Rôle : Créer un champ magnétique fixe dans l’espace.
                  Méthode : Bobinage parcouru par un courant continu iex ou par des
                  aimants permanents.
                  Le bobinage est placé sur un circuit magnétique feuilleté.




  Sébastien
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                                   Les actionneurs électriques
                                                                          Constitution
                     LE STATOR ou INDUCTEUR
                                                     Circuit magnétique
                       Photographie stator bobiné.
                                                          feuilleté


                        Pôles
                  principaux




                      Pôles de
                  compensation


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                                  Les actionneurs électriques
                                                                                 Constitution
                   LE ROTOR ou INDUIT

                  C’est le lieu de la conversion électromécanique. Des conducteurs traversés par
                  un courant I sont placés dans des encoches.
                  Le rotor est composé d’un circuit magnétique feuilleté, où sont placées des
                  encoches recevant les conducteurs d’induit.




                    Ces conducteurs traversés par un courant I sont soumis au champ
                    magnétique Bex créé par l’inducteur, et donc soumis à une force de
  Sébastien
                    LAPLACE :
 GERGADIER
Lycée Richelieu
    TSI 1
                                             F  I .dl  B
                                 Les actionneurs électriques
                                                                               Constitution
                  LE ROTOR ou INDUIT

                  Afin d’obtenir un couple moyen non nul, il est nécessaire d’inverser
                  périodiquement le courant dans les conducteurs d’induit. Le courant
                  fourni par la source d’alimentation reste continu et constant.

                        Animation

                   C’est un des rôles du système balais-collecteur.




  Sébastien
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                                    Les actionneurs électriques
                                                                                      Constitution
                     LE COLLECTEUR

                    Rôle : Permettre l’alimentation de l’induit (partie tournante) depuis
                    l’extérieur et inverser périodiquement le courant dans les
                    conducteurs .
                    Méthode : Les conducteurs de l’induit sont raccordés à un
                    mécanisme solidaire de l’induit où viennent frotter des balais.

                                                                                      Lames du
                   Ressorts de                                                        collecteur
                   compression
                                                                                       Conducteurs
                                                                                       d’induit
                              Fil                                                Balais en
                  d’alimentation                                                 graphite
                        d’induit

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                               Les actionneurs électriques
                                                                          Constitution
                  LE COLLECTEUR




                  I                     I=0                    I



                                    I                    I=0                     I




                           1                    2                     3




                  Le système balais collecteur fonctionne comme un ONDULEUR DE
                  COURANT.
  Sébastien
 GERGADIER
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                                  Les actionneurs électriques
                                                                                 Constitution

                  Calcul de la force contre électromotrice induite aux bornes d’une spire :

                  Lorsqu’un conducteur est soumis à un champ magnétique, il apparaît une
                  fcem à ces bornes, telle que :
                                                    d
                                                 e
                                                    dt

                  Avec Φ le flux embrasse par la bobine, tel que :

                                               Bex .dS
                   Or, Bex est constant, donc :
                                             dS
                                                     R
                               Bex                           θ

                                                                 Longueur = profondeur = Lz
  Sébastien


                                   Bex .2.R.Lz sin  
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                                  Les actionneurs électriques
                                                                             Constitution
                  Calcul de la force contre électromotrice induite suite :
                  Si cette spire tourne à la vitesse angulaire Ω, on a :

                                                 t
                  Dans ces conditions, la fcem s’exprime par :
                                        d
                                   e       2.Bex .R.Lz ..cos  t 
                                        dt




  Sébastien
 GERGADIER
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                                            Les actionneurs électriques
                                                                           Constitution
                  Étude du fonctionnement du système balais collecteur :
                   Considérons une MCC à 2 spires :




                                                          eAB


                                     
                  Pour -                u  eAB
                           4   4
                             3
                  Pour           u  eCD
                       4       4
                       3      5
                  Pour           u  eAB
                        4       4
                       5      7
                  Pour            u  eCD
                        4        4
  Sébastien       Le système balais collecteur
 GERGADIER        fonctionne comme un redresseur de
Lycée Richelieu
    TSI 1
                  fcem.
                                  Les actionneurs électriques
                                                                                 Constitution
                  Ce fonctionnement se généralise pour N spires et plusieurs dizaines de lames
                  composant le collecteur.
                  La fcem vue du stator est donc composée de portions de sinusoïdes.
                  En raison d’un grand nombres de lames sur le collecteur, la fcem vue du
                  stator se résume à sa valeur maximale, soit :
                                   E  2.N .Bex .R.Lz .  N . ex .
                  En réalité, le rotor d’une MCC possède 2a voies d’enroulement et p
                  paires de pôles, donc, la fcem s’exprime par :
                                          2p             p
                                     E      .N .ex .  .N . ex .
                                          2a             a
                   La fcem E est donc proportionnelle au flux créé par l’inducteur et à la
                   vitesse angulaire.
                                     E  k . ex .  k . (iex ).
                  Dans le cas d’une MCC à aimants permanents,  (iex ) est constant, donc :
  Sébastien
 GERGADIER
Lycée Richelieu                               E  K.
    TSI 1
                                  Les actionneurs électriques
                                                                                Constitution
                  REACTION MAGNETIQUE D’INDUIT

                  Lorsqu’un courant I circule dans l’induit, il a pour conséquence de créer un
                  champ magnétique Bind appelé champ de réaction magnétique d’induit.
                  Ce champ de réaction d’induit à pour conséquence de faire chuter le flux
                  embrassé par les spires.
                  On a donc :   E  k . (iex , I ).
                  Pour compenser cette chute de flux, dans les machines de moyennes et de
                  fortes puissances, des pôles de compensation magnétique sont placés entre
                  les pôles inducteurs.




  Sébastien
 GERGADIER
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    TSI 1
                                  Les actionneurs électriques
                                                                                   Constitution
                  Machine à courant continu compensée :

                  Une machine à courant continu est dite compensée, si le courant
                  d’induit n’a pas d’effet sur la fcem. On a donc :

                           (iex , I )   (iex )  E( I 0)  E( I 0)  k . (iex ).

                  C’est une hypothèse que l’on fait pour chaque étude.




  Sébastien
 GERGADIER
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                                  Les actionneurs électriques
                                                                          Modèles de la MCC
                  Expression du couple électromagnétique :
                   L’expression du couple peut être obtenue par un bilan de puissance en
                   fonctionnement MOTEUR.


                                                                                           Pu
                   Pabs
                                                  Pe                                  = ΓuΩ
                  = UI

                                   Pji
                                             Pbalais          Pfer      Pmeca
                                                              Appelée aussi
                                   = RI²                     pertes collectives
                   L’expression du rendement d’une MCC en fonctionnement MOTEUR
                   s’exprime par :
                                     Pu                   u .
  Sébastien
                                      
 GERGADIER
                                    Pabs  u .  RI ²  U balais I  Pfer  Pmeca
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                                 Les actionneurs électriques
                                                                         Modèles de la MCC
                  En convention MOTEUR et pour une MCC à excitation indépendante, le
                  modèle électrique est de la forme :




                   En régime permanent, on néglige les effets des inductances L et Lex.
                   Cela revient à considérer les courants iex et I constants.

                   Dans tous les cas, on néglige la chute de tension U b due aux balais
  Sébastien
 GERGADIER         (de l’ordre du volt comparativement à U≈centaines de volts)
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                                  Les actionneurs électriques
                                                                         Modèles de la MCC
                  En convention moteur, on a :   U  E  RI  U balais
                  La puissance absorbée par la MCC vaut donc :

                                  Pabs  UI  EI  RI 2  U balais I
                   La puissance électromagnétique s’exprime donc par :
                  Pe  Pabs  Pji  UI  RI ²  EI  RI ²  RI ²  EI   e .
                  Or :   E  k .(iex ).
                   Donc :   e  k .(iex ).I
                   Le couple électromagnétique est donc proportionnel au flux créé par
                   l’inducteur et au courant d’induit.
                  Dans le cas d’une MCC à aimants permanents, ou lorsque le courant
  Sébastien       d’excitation est constant,  (iex ) est constant, donc :
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Lycée Richelieu                               e  K .I
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                                  Les actionneurs électriques
                                                            Caractéristiques de la MCC
                  Caractéristique Couple / Vitesse :
                                                                  Pertesrotor
                   Le couple utile Γu s’exprime par : u  e 
                                                                     
                  Soit dans ces conditions et pour une MCC à excitation séparée constante
                  (ou à aimants permanents) :
                                               EI          KU K ²
                                  u  e         K .I     
                                                           R   R
                   C’est l’équation d’une droite.

                  Le point de fonctionnement
                  est l’intersection des courbes
                  Couple électromagnétique et
                  Couple résistant.

  Sébastien
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                  Les actionneurs électriques
                                         Modèles de la MCC


                                          Ces modèles sont
                                          déduits de :
                                          - La loi des mailles;
                                           - Principe
                                          Fondamental de la
                                          Dynamique appliqué
                                          aux solides en
                                          rotation.


                                             d (t )
                                          J.           i
                                               dt      i



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                  Les actionneurs électriques
                                Variation de vitesse de la MCC




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                                 Les actionneurs électriques
                                                          Variation de vitesse de la MCC
                  CAS GENERAL :

                  En négligeant la résistance d’induit, on a :

                                                  U
                                            
                                               k . (iex )
                  Pour régler Ω, on peut donc agir sur :
                                  La tension d’induit;
                                  le flux Φ(iex) par action sur iex.




  Sébastien
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    TSI 1
                                    Les actionneurs électriques
                                                               Variation de vitesse de la MCC

                   Cas d’une MCC à aimants permanents ou excitation constante :

                    En fonctionnement moteur, on a en négligeant la chute de tension dans la
                    résistance R :
                                                        U
                                                  
                                                        K
                  Le réglage de la vitesse se réalise donc par action sur la tension d’alimentation.

                  La vitesse Ωmax est fixée par la tension d’alimentation nominale Unom, et
                  s’exprime par :
                                                       U nom
                                              max 
                                                        K



  Sébastien
 GERGADIER
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                                   Les actionneurs électriques
                                                              Variation de vitesse de la MCC
                  Cas d’une MCC à excitation variable :
                  Lorsque le courant d’excitation n’est pas fixe, on a :
                                                         U
                                                 
                                                      k . (iex )
                  Il est donc aussi possible de régler la vitesse par action sur le courant
                  d’excitation iex. On parle alors de DEFLUXAGE.
                  La caractéristique Couple / Vitesse est donc une hyperbole ayant pour
                  expression :
                                              U nom .I nom  RI nom 2
                                   u   e 
                                                         
                  La vitesse ΩMax est définie par les limites mécaniques de la MCC.

                  REMARQUE :
                  TOUJOURS S’ASSURER QUE L’INDUCTEUR EST ALIMENTE AVANT
  Sébastien
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                  L’ALIMENTATION DE L’INDUIT.
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    TSI 1
                  SINON LA MCC S’EMBALLE (Ω tend vers ∞)
                                  Les actionneurs électriques
                                                       Variation de vitesse de la MCC
                  Caractéristique Couple / Vitesse :




  Sébastien
                                    Action sur U       Action sur iex
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                                                       DEFLUXAGE
    TSI 1
                                 Les actionneurs électriques
                                                                      Modèles de la MCC
                  Fonctionnement 4 quadrants :
                  La MCC est une machine totalement réversible. Le courant qui la traverse
                  et la tension à ces bornes peuvent être positifs ou négatifs.
                                                   Γe ≈ I




                                                                               U≈Ω




  Sébastien
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    TSI 1
                                    Les actionneurs électriques
                                                                     Modèles de la MCC

                  Ces 4 quadrants peuvent être mis en évidence avec le fonctionnement de la
                  locomotive :




                                      Γe
                                                                    Pendant les phases
                                                                    génératrice, l’énergie
                                                                    électrique peut être
                                4                  1
                                                                    dissipée dans une
                            Génératrice         Moteur              résistance, ou bien être
                                                                    renvoyée à la source
                                           0                    Ω   d’alimentation.
                             Moteur            Génératrice

                                3                  2

  Sébastien                                                      Dépend de la réversibilité du
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                                                                 CVS alimentant la MCC.
    TSI 1
                                 Les actionneurs électriques
                                                                       Modèles de la MCC
                  Si la MCC doit fonctionner dans un seul quadrant (1 ou 3), le CVS
                  associé n’a pas besoin d’être réversible.




                     Pont redresseur à diodes          Montage hacheur série




  Sébastien
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    TSI 1
                                  Les actionneurs électriques
                                                                         Modèles de la MCC
                  Si la MCC doit fonctionner dans les quadrants 1 et 4 (réversibilité en
                  tension), le CVS associé doit disposer de cette réversibilité.




                     Pont redresseur à thyristors           Montage hacheur en pont
                                                            réversible en tension




  Sébastien
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                                  Les actionneurs électriques
                                                                         Modèles de la MCC
                  Si la MCC doit fonctionner dans les 4 quadrants (réversibilité en tension
                  et en courant), le CVS associé doit disposer de ces réversibilités.




                                                                    Pont redresseur à thyristors
                                                                    montés tête bêche




                                                                 Montage hacheur en pont
                                                                 complet

  Sébastien
 GERGADIER
Lycée Richelieu
    TSI 1
                                Les actionneurs électriques
                                          Identification des paramètres de la MCC

                  Un modèle électrique d’une MCC en convention moteur s’écrit par :
                                  di
                   U  E  RI  L
                                  dt
                   E  k 
                    C  k I
                   Dans le cas d’une MCC à aimants permanents, ou à excitation
                   indépendante constante, elle se simplifie et s’écrit :
                                   di
                    U  E  RI  L
                                   dt
                    E  K
                    C  KI
  Sébastien
 GERGADIER
Lycée Richelieu
    TSI 1
                                  Les actionneurs électriques
                                             Identification des paramètres de la MCC
                  Les paramètres électriques d’une MCC sont donc les constantes :

                     R  résistance d'induit en 
                    
                     L  inductance d'induit en H
                     K  constante de fcem et de couple en V/rad.s -1 et N.m.A -1
                    
                  Détermination de la résistance d’induit R :

                      Problématique : Déterminer la résistance d’induit le plus
                      précisément possible.
                               - R dépend de la position du rotor ;
                               - R dépend de la température.

                   En effet, la résistance dépend de la position du collecteur sous les balais.
                   De plus, la résistance dépend de la température selon la loi :
                                                             i
                                           R  R0 . 1  i . 
  Sébastien
 GERGADIER
Lycée Richelieu
    TSI 1
                                                      i 1      
                                 Les actionneurs électriques
                                             Identification des paramètres de la MCC

                  Première méthode :
                           Avec un ohmmètre.




                  Seconde méthode :
                            Méthode voltampèremetrique avec rotor bloqué.

                   Si le rotor est bloqué, Ω=0, donc E=0, donc :
                                                    U
                                                 R
                                                    I
                    Cet essai est réalisé sous tension d’induit U réduite.

                  Cette méthode donne des résultats satisfaisants.
  Sébastien
 GERGADIER
Lycée Richelieu
    TSI 1
U1  K 1  R.I1
U 2  K 2  R.I 2
                                     Les actionneurs électriques
                                                Identification des paramètres de la MCC

                     Détermination de la constante de fcem K et de la résistance R:

                         Problématique : Déterminer simultanément la résistance d’induit et
                         la constante de fcem.


                      On réalise 2 essais sous 2 tensions différentes U1 et U2.
                      On mesure pour chacun de ces 2 essais l’intensité absorbé par la MCC
                      et la vitesse de rotation angulaire.
                       On obtient un système à 2 équations à 2 inconnues R et K.

                      Pour s’affranchir de l’effet de la température sur la résistance d’induit,
                      on peut alimenter le moteur pendant quelques minutes juste avant les 2
                      essais.

                      Attention à la précision de vos mesures, pour ne pas trouver une résistance
                      d’induit négative !!!!
    Sébastien
  GERGADIER
 Lycée Richelieu
      TSI 1
                                   Les actionneurs électriques
                                             Identification des paramètres de la MCC

                  Détermination de l’inductance d’induit L :

                      Problématique : Déterminer l’inductance d’induit le plus
                      précisément possible.

                    Méthode :
                               On alimente l’induit de la MCC par un hacheur série, et on
                    visualise l’allure du courant d’induit I. On se place en conduction continue
                    du courant dans la MCC. Sinon, on rajoute une inductance parfaitement
                    connue.

                                                        iC(t)


                                                        I’

                                                        I


                                                                                         temps
  Sébastien                                                 0     αT   T       T+ αT
 GERGADIER
Lycée Richelieu
    TSI 1
                                     Les actionneurs électriques
                                                     Identification des paramètres de la MCC

                  Détermination de l’inductance d’induit L (suite) :
                      Pour 0  t   T :
                                        V E
                              iC (t )       .t  I
                                          L
                      Pour  T  t  T :
                                           E
                               iC (t )       .  t   T   I'
                                            L

                   Première exploitation : Ondulation du courant d’induit
                   Dans le cours sur le hacheur série, on a vu que l’ondulation du courant
                   dans la charge, en conduction continue et si la fréquence de hachage est
                                                                                     R
                   suffisamment élevée par rapport à la constante de temps 1/   , et
                                                                                 L
                   s’exprime par :
                                                                   V . . 1   
                                                 I  I-I'=
  Sébastien                                                             L. f
 GERGADIER
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    TSI 1
                                 Les actionneurs électriques
                                            Identification des paramètres de la MCC

                  Seconde exploitation : Méthode de la pente

                  On se place dans la phase de croissance du courant dans l’induit de la
                  MCC, et on mesure la vitesse angulaire du rotor.

                  La pente du courant est le coefficient directeur de cette droite, qui
                  dépend de l’inductance L.




  Sébastien
 GERGADIER
Lycée Richelieu
    TSI 1

								
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