Machines à courant continu

Transcription

Plan du cours
• Constitution
• Principe de fonctionnement en génératrice
• Principe de fonctionnement en moteur
• La réaction d ’induit
• Etude des transferts de puissance
Constitution et principe des machines - durée 2h - G. Clerc
1
bobine inducteur
Constitution
Une machine à courant continu
assure de manière réversible la
conversion de l’énergie électrique
présente sous forme continu en
énergie mécanique.
Si elle débite un courant continu,
elle fonctionne en génératrice. Si
elle absorbe un courant continu, elle
fonctionne en moteur.
N
Inducteur
S
noyau
polaire
S
N
Induit
entrefer
Elle comporte :
Ö un inducteur fixe (stator) qui crée le flux dans l’entrefer. Il crée dans l’entrefer des pôles
fixes successivement nord et sud.
Ö un induit tournant (rotor) parcouru par un courant continu qui, en moteur, par interaction
avec le champ crée par l’inducteur, crée le couple.
2
Inducteur
Il comporte :
Ä une culasse en acier moulé qui supporte toutes les parties fixes et aux extrémités les deux
paliers dans lesquels tourne l’arbre portant le rotor. Elle ferme le circuit magnétique.
Ä 2p pôles (soient p paires de pôles). Autour des noyaux, sont bobinés les enroulements
avec le même nombre de spires , parcouru par le même courant, et un sens de parcours tel
que l’on respecte une succession des pôles nord sud.. Tous les bobinages sont électriquement
en série.
L’inducteur est parfois réalisé à l’aide d’aimants permanents.
Différents modes de connexion de l’inducteur
Excitation
Excitation shunt Excitation série
Excitation
séparée
Compound
3
Caractéristique Flux/courant d’excitation
Φ
J (courant d'excitation)
4
Induit
Porté par le rotor, dans la
disposition actuelle dite “ à
tambour ”, il comprend un ou
plusieurs bobinages fermés sur euxmêmes. Il est caractérisés par 2a
voies d’enroulements en parallèle.
Dent
Encoche
Il tourne dans un champ
magnétique fixe. Pour limiter les
pertes par courants de Foucault et
par hystérésis, il est feuilleté. sur la
périphérie de l’induit sont découpés
des encoches dans lesquelles
viennent se loger les conducteurs de
l’induit.
5
Bobinage de l ’induit
Chaque fil pris isolément est appelé conducteur. Deux conducteurs forment une spire. Les
spires sont regroupées en section.
Une section est l’ensemble des conducteurs rencontrés entre deux lames du collecteur
lorsqu’on progresse dans un sens donnée le long du bobinage.
6
4
Elle comporte :
11
- la lame du collecteur,
- le faisceau de conducteurs d’aller,
15
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
- la connexion arrière
Sud
- le faisceau du conducteur de retour,
- la lame suivante. 7
Nord
5
9
8
6
Nord
3
10
2
14
VII VIII
16
1
2
11 Sud
12
4
I
II
III
IV
V
VI
VII
13
15
Représentation panoramique de l’enroulement
Dans cet exemple :
1 è 10 è 3 è 12 è 5 è 14 è 7 è 16 è 9 è 2 è 11 è 4 è 13 è 6 è 15 è 8 è 1
6
4
Le collecteur et les balais
Il est constitué d’un certain nombre de lames isolées électriquement. Il y a autant de lames que
de sections.
Les balais sont fixés sur la carcasse par l’intermédiaire d’un porte balais et frottent sur le
collecteur grâce à des ressorts. Le contact collecteur/balais est glissant.
Les balais sont placés sur l’axe des pôles principaux.
Vue d ’ensemble de l ’induit
Représentation schématique de l ’induit
S
N
7
Principe de fonctionnement en génératrice
Un conducteur, placé sur l’induit, tourne. Il coupe les lignes de champ. Il est alors le siège de
f.e.m. induite.
En 1 et 3, la f.e.m. a le sens indiqué par les flèches. En 2 et 4 elle est nulle. On a donc une
f.e.m. alternative. Le système balais collecteur a pour rôle de la redresser.
Ω
Ω
2
N
1
ln
B
ln
Ω
e
e
S
3
+
-
4
-
B
+
-
B
+
Lorsqu’on passe de la
+
position 1 à la position 2, les
e
e
lames ont changé de polarité
et de balais. On conserve
donc en sortie des balais la
+
+
même polarité.
Position 1
Position 2
On réunit entre eux les conducteurs diamétralement opposés ou presque diamétralement opposés
de manière à ce que les forces électromotrices s’ajoutent.
8
Si l’on reprend le schéma développé des enroulements :
Lorsqu’on va du balais
sur la lame I au balais
sur la lame V, en 11
suivant toujours le
même sens, toutes les
f.e.m. sont en série.
Pour aller d’un balais à
l’autre, il y a deux
chemins possibles. Il y a
ici
deux
voies
d’enroulement.
Ces
deux
voies
sont
électriquement
en
parallèle.
Ω
4
15
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Sud
Nord
2
VII VIII
I
-
II
III
IV
V
VI
VII
+
9
4
Finalement, on obtient le schéma équivalent suivant :
16
9
7 14 5 12 3 10
1
11 4 13 6 15
8
2
+
Lors de la rotation, lorsque les conducteurs passent sous la ligne de neutre, leur force
électromotrice induite change de sens. Il en sera de même du courant qui les parcoure
10
Calcul de la f.e.m.
Calculons la valeur moyenne de la f.e.m. d’une machine bipolaire possédant 2 voies
d’enroulement.
Soient f faisceaux, f/2 encoches et n/f conducteurs par
7
5
9
faisceaux
8
Un tour complet prend 1/Ω secondes. et donc
6
10
1
2
Nord 3 4
∆t =
=
11 Sud
12
Ωf
Ωf avec Ω vitesse de rotation en tr/s
2
2
Le flux total coupé par l’ensemble des conducteurs
n
d’aller et de retour est : ∆Φ = 2Φ
f
∆Φ
E
=
= n ΩΦ
D’où la f.e.m. :
∆t
Plus généralement, nous avons :
14
16
1
13
15
E=
p
Ω nΦ
a
avec
2p = nombre de pôles, 2a=nombre de voies en parallèle, n=nombre de conducteurs actifs
Φ=flux par pôle, Ω=vitesse de rotation en tr/s
11
Principe de fonctionnement en moteur
Principe
Le couple électromagnétique résulte de l’interaction du champ magnétique crée par l’inducteur et
du courant d’induit.
En première approximation :
ln
ln
F
Ω
ln
I
I
F
N
F B
+
-
S
B
-
B
-
+
+
-
F
F
I
I
-
+
Position 1
+
-
+
Position 2
12
Calcul de la force contre électromotrice
En négligeant la réaction d’induit (cf suite du cours), Φ = Φch = Φ v
E'=
avec
2p
2a
n
Φ
Ω
p
ΩnΦ
a
nombre de pôles
nombre de voies en parallèle
nombre de conducteurs actifs
flux par pôle
vitesse de rotation en tr/s
13
Calcul du couple électromagnétique
Nous avons :
EI
EI
1 p
Te =
=
=
nΦI
ω
2π Ω 2π a
Donc
1 p
Te =
nΦI
2π a
avec
2p
2a
n
Φ
Ω
ω
nombre de pôles
nombre de voies en parallèle
nombre de conducteurs actifs
flux par pôle
vitesse de rotation en tr/s
vitesse de de rotation est exprimée en rd/s et Ω en tr/s
14
Caractéristique du moteur à courant continu à excitation séparée
U − RI
Ω
Ω=
=
p
p
nΦ
nΦ
a
a
Si Φ est nulle, la machine
s ’emballe.
E
Te =
1 p
nΦI
2π a
I
Te
I
15
1 p
T
=
On a e 2π a nΦI
E
U − RI
Ω=
=
p
p
et
nΦ
nΦ
a
a
donc
p
U − Ω nΦ
1 p
a
Te =
nΦ
2π a
R
Te
Ω
16
La réaction d ’induit
Origine
Lorsqu’on branche un récepteur aux bornes de l’induit d’une MCC fonctionnant en
génératrice ou en moteur, l’induit débite un courant. Celui-ci crée un flux appelé flux de
réaction d’induit qui modifié le flux inducteur.
Deux composantes :
Ä réaction transversale d’induit dont la direction se situe sur l’axe interpolaire
diminue le flux traversant l’induit et décale la ligne de neutre.
Ä réaction longitudinale d’induit dans l’axe polaire ( due à un décalage de la ligne de
neutre ou pour améliorer la commutation ) qui diminue fortement le flux inducteur
17
Influence
Φ ch ( J , I ) = Φ v − ∆Φ
p
Ech ( J , I ) = ΩnΦ ch = E v − ε
a
Remèdes pour diminuer réaction transversale d’induit
Äenroulements de compensation logés dans des encoches pratiquées sous les pièces
polaires créant une f.m.m. égale et opposée à celle due aux ampères tours de l’induit à
l’origine de la réaction d’induit.
Ä pôles de commutation créant des ampères tours égaux et opposés à ceux de
l’induit. Solution moins bonne que la précédente.
18
Etude des transferts de puissance
Ω
Réversibilité
Génératrice
2
E
ch
Moteur
1
T
I
Moteur
3
Génératrice
4
En fonctionnement moteur E.I = T.ω >O
En fonctionnement génératrice E.I = T.ω<O
ω vitesse de rotation en rd/s
Pour passer d’un fonctionnement moteur à un fonctionnement génératrice, il suffit
d’effectuer un nombre impair de changements parmi ces trois grandeurs : vitesse, sens
du courant d‘excitation, sens du courant d‘induit.
19
Bilan de puissance
J
Induit
Inducteur
Puissance
électrique
G
P =UI
M
e
Flux
a
Puissance
Electro-magnétique
P = E I = T Ω(rd /s)
a
em ch
Pertes
Joules
2
P =R I
J
a a
Pertes
fer
Puissance
Mécanique Utile
Pm = T Ω(rd/s)
u
Pertes
Mécaniques
20
Pertes mécaniques
Pertes fer
Pertes Joules
Pertes dans l’inducteur
pex
Pertes supplémentaires
Frottement solide de l’arbre sur ces paliers
ventilation
Proportionnelle au carré de la vitesse
Localisées au rotor (le champ est fixe par
rapport au stator)
Pj = ∆ U a I a + Ra I a 2
Chute de tension au balais (de l’ordre de
0.5V)
Varient avec la température
Enroulement inducteur
Dans le rhéostat de champ
Pertes par courants de Foucault dans le
cuivre
Pertes dans les spires en commutation
Augmentation des pertes fer en charge dues
à une répartition différente de l’induction
Facteur de forme du courant
21
En négligeant les pertes supplémentaires, on peut écrire :
Rendement d’un moteur
ηm =
(
Pel − pJ + pm + p f
Pm
≈
Pel + pex
Pel + pex
)
Rendement d’un générateur
ηG =
Pel
Pel
≈
Pm + pex
Pel + pex + pJ + pm + p f
(
)
22
23
24
25
Fin du chapître
26

Machines à courant continu

Transcription

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