Electrotechnique: Electricit

1
ElectrotechniqueElectricité 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

2
Composant Le Moteur à courant continu
TS
MCC
3
Sommaire MCC

• Fonctionnel Mcc
• Fonctionnement Machine à Courant Continiu
• Description interne
• Mécanique...
• Les relations
• Lexcitation
• Bilan de puissance
• Caractéristiques
• Exemple de MCC
• Moteur / Génératrice
• Commande
• Commande par pont
• Photos inducteur MCC
• Rappel des caractéristiques électro-mécaniques
• Les modes dexcitation de la MCC

TS
MCC
4
Fonctionnel
CONVERTION ELECTRIQUE ? MECANIQUE
TS
MCC
5
Fonctionnel
8
8
4
4
12
12
0
0
16
16
MCC 12 V
-

-

GND
CONVERTION ELECTRIQUE ? MECANIQUE
TS
MCC
6
Fonctionnement
N
S
TS
MCC
7
Fonctionnement
N
S
TS
MCC
8
Fonctionnement
N
S
TS
MCC
9
Fonctionnement
N
S
TS
MCC
10
Fonctionnement
F
I
N
S
F
Frottement entre balais et collecteur
Alimentation
TS
MCC
11
Fonctionnement
I
N
F
F
S
Frottement entre balais et collecteur
Alimentation
TS
MCC
12
Description interne
TS
MCC
13
Description interne
N
S
N
S
MCC
TS
14
Description interne
MCC
TS
15
Description interne
Parties tournantes
MCC
TS
16
Mécanique...
Vitesse de rotation
Moments de force
MCC
TS
17
Les relations
fem
E K ?
T K ? ? ? I Doù  T ? ? E ? I
Couple
Si flux constant K ? ? K? E K? ? ? T K?
? I
MCC
TS
18
Les relations
Côté électrique
N
S
MCC
TS
19
Les relations
Côté électrique
Côté mécanique
?
J
T
MCC
TS
20
Les relations
MCC
TS
21
Les relations
I
Côté électrique
R
U E R.I
Uconstant
Côté mécanique
?constant
J
T
MCC
TS
22
Lexcitation
MCC
TS
23
Bilan de puissance
EI Puissance électromagnétique utile
Tu.? Puissance utile
Puissance à fournir
TS
MCC
24
Caractéristiques
Pour le fonctionnement nominal (en charge
nominale)  ? La tension nominale
dalimentation ? 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 dinduit ? La valeur de linductance
dinduit ? Le moment dinertie du rotor ? La
constante de couple (K?)
TS
MCC
25
Exemple de MCC
TS
MCC
26
Exemple de MCC
?
T
Tr,
?
?p
TS
MCC
27
Moteur / Génératrice
T K?.I T gt 0
Quadrant 1  Fonctionnement moteur
Quadrant 4  Fonctionnement génératrice
? K?.E ? gt 0
? K?.E ? lt 0
Quadrant 3  Fonctionnement moteur
Quadrant 2  Fonctionnement génératrice
T K?.I T lt 0
TS
MCC
28
Commande
Idée
Valim
M
TS
MCC
29
Commande
Ve
Valim
t
IM
M
IM
t
Rb
100 V
Vce
Vce
Ve
t
TS
MCC
30
Commande
Solution
Ve
Valim
t
IM
IM
t
M
t
Vce
Rb
Vce
Id
t
Ve
TS
MCC
31
Commande
Ve
t
Valim
UM
M
UM
Rb
Ve
TS
MCC
32
Commande
Ve
t
Valim
Valim
T
VM
M
UM
E ltUMgt ltURgt ltULgt
E ? ltUMgt 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
TS
MCC
33
Commande
TS
MCC
34
Commande
Comment inverser le sens de rotation ?
TS
MCC
35
Commande par pont
Vcc
M
E
T K?.I T gt 0
I
Quadrant 1  Fonctionnement moteur
? K?.E ? lt 0
? K?.E ? gt 0
Quadrant 3  Fonctionnement moteur
T K?.I T lt 0
I
E
TS
MCC
36
Commande par pont
Vcc
M
E
T K?.I T gt 0
I
Quadrant 1  Fonctionnement moteur
? K?.E ? lt 0
? K?.E ? gt 0
Quadrant 3  Fonctionnement moteur
T K?.I T lt 0
I
E
TS
MCC
37
Commande par pont
Vcc
M
E
T K?.I T gt 0
I
Quadrant 1  Fonctionnement moteur
? K?.E ? lt 0
? K?.E ? gt 0
Quadrant 3  Fonctionnement moteur
T K?.I T lt 0
I
E
TS
MCC
38
Commande par pont
Réalisation
Vcc
M
TS
MCC
39
Commande par pont
Vcc
UM
M
I
TS
MCC
40
Commande par pont
Vcc
UM
M
I
TS
MCC
41
Commande par pont
Mesure du courant
Vcc
M
Mise à larrêt du moteur si Rm.IM gt Umax
TS
MCC
42
Commande par pont
Vcc
Rs1
Rs2
C 47 nF
R 22 k?
7
9
5
3
2
14
L 292
_
OTA
_
T1
Ve
6
_
T3
1
_
Comp.
ALI 1
15
ALI 2
VR8V
T2
T4
Oscill.
Ref.
11
10
8
CO 1,5 nF
RO 15 k?
TS
MCC
43
Synthèse Machine à Courant Continu MCC
44
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.
45
Vue en coupe
Induit bobiné
Inducteur
Ventilateur
Balais
Boîte à bornes
Collecteur
Pour imprimer
46
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.
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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.
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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.
49
Induit bobiné
Le champ inducteur vu par linduit au cours
dun tour est variable. Il faudra feuilleter le
rotor afin de réduire les pertes fer de linduit.
Il est donc constitué de tôles circulaires
isolées et empilées sur larbre de façon à
obtenir le cylindre dinduit. 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.
50
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
déconomie, 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.
51
Collecteur
Le collecteur a pour fonction dassurer la
commutation du courant dalimentation dans les
conducteurs de linduit. 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.
52
Pour archiver.
Sur cette vue écorchée, on peut aisément
voir    Linduit (1) avec ses encoches
recevant les conducteurs en cuivre (absents ici)
perforés axialement pour son refroidissement.  
Le collecteur (2) et lensemble
porte-balais/balais (3) ainsi que la trappe de
visite pour la maintenance (4).   Les pôles
inducteurs feuilletés (5) vissés sur
linduit.   La moto ventilation (6).   Le
système de fixation par pattes (7).
6
5
1
2
3
7
4
53
Equations de fonctionnement
Attention! Les séquences qui suivent sont
sonorisées.
Cem k
Cem k i
Cem k i Fe
Ek
Ek W
Ek WFe
54
Equations de fonctionnement
En résumé
Les équations qui caractérisent la machine à
courant continu sont 1) 2) Ek WFe
3) Cem k i Fe 4)
55
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 lensemble des points de fonctionnement
atteignables.
Dans la pratique, on maximise le couple Cem
par ampère en donnant au flux dexcitation sa
valeur nominale, soit F Fnominal.
56
Caractéristiques électro-mécaniques
Cem
I1
I1
CemK
W
-I1
57
Caractéristiques électro-mécaniques
Cem
I2
CemK
I2
W
-I2
58
Caractéristiques électro-mécaniques
Cem
In
CemK
In
W
-In
59
Caractéristiques électro-mécaniques
Cem
In
CemK
In
U1
-U1
W
-In
60
Caractéristiques électro-mécaniques
Cem
In
CemK
In
U2
-U2
W
-In
61
Caractéristiques électro-mécaniques
Cem
In
CemK
In
Un
-Un
Un
Un domaine fermé définit lensemble des couples (
Cem, W ) possibles pour une machine donnée.
W
Question
Quelle est la nature du fonctionnement
correspondant aux quatre points dintersection
des droites limites ?
-In
62
Excitation des MCC
63
(No Transcript)
64
Classification des Machines
Eletriques