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M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MACHINE A COURANT CONTINU MACHINE A COURANT CONTINU M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► SOMMAIRE SOMMAIRE Généralités Moteur à excitation indépendante Moteur à excitation série Applications Caractéristiques Fonctionnement en génératrice Variation de vitesse M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► APPLICATIONS APPLICATIONS Applications courantes : Très faible puissance liée à la mobilité (fonctionnement sur batterie) : Vibreur de téléphone, Divers micro actionneur… Très forte puissance (>250kW) et besoin d’une variation de vitesses : Extrudeurs, mélangeurs, laminoirs, Machines d’imprimerie, Machines d’enroulage (aciéries, papeteries...), Machines de tréfilage, Machines de cimenteries, Moteurs de traction ferroviaire, Remontées mécaniques (télésièges, téléski, téléphériques), Bancs d’essais, levage, portiques, grues, ascenseurs… M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► AVANTAGES AVANTAGES Robustesse (sous réserve de changer les pièces d’usure). Fonctionnement en mode dégradé permettant une continuité de service. Fiable. Maintenance aisée (pannes faciles à détecter et à résoudre). Pilotage simple. M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► CONSTITUTION CONSTITUTION La machine à courant continu est constitué de deux ensembles : L’inducteur, en général fixe, appelé aussi stator, qui crée le champ magnétique. Cet inducteur peut-être constitué d’aimants permanents ou d'une bobine. L’induit, en général mobile, appelé aussi rotor. Le rotor est bobiné et lorsqu’il tourne, il se crée à ses bornes une tenson induite E. Un système collecteur/balais permet de récupérer la tension E. La machine à courant continu est une machine réversible. Elle peut fonctionner soit en génératrice, soit en moteur. M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► CONSTITUTION CONSTITUTION Borne Plaque à bornes didactique Roulement Anneau de manutention Roulement Balais Induit Collecteur Turbine de ventilation Flasque palier côté bout d'arbre Stator Porte de visite Flasque palier côté collecteur M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► CONSTITUTION CONSTITUTION M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► SYMBOLE Machine à excitation indépendante : M = Inducteur SYMBOLE Symbole : Induit M Machine à excitation série : = M = Inducteur Induit Machine à excitation parallèle : M = Inducteur Induit Inducteur Induit L’inducteur peut être alimenté : De façon indépendante : machine à excitation indépendante ; En série : machine à excitation série ; En parallèle : machine à excitation parallèle. M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► FONCTIONNEMENT FONCTIONNEMENT Le schéma suivant décrit le fonctionnement de la machine à courant continu : M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► MODELE EQUIVALENT MODELE EQUIVALENT Schéma équivalent de l’inducteur : Schéma équivalent de l’induit : E M r = Inducteur Induit R L M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► FORCE ELECTROMOTRICE FORCE ELECTROMOTRICE L’inducteur crée un flux électromagnétique Φ. Le rotor est composé de N conducteurs et tourne à la vitesse angulaire Ω (rad/s). N .Φ.Ω L’expression de la f.e.m. est : E = 2π N Si on pose la constante : K = 2π Alors : E = K .Φ.Ω Par conséquent, si le flux est constant, la f.e.m. induite E est strictement proportionnelle à la vitesse de rotation n. E = k .n M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► GENERALITES ► COUPLE ELECTROMAGNETIQUE COUPLE ELECTROMAGNETIQUE L’induit étant alimenté par un courant I, la puissance électromagnétique vaut : PE = E.I Le rotor tournant à une vitesse électromagnétique TEM qui vaut : Ω, on produit un couple PE = TEM .Ω Par conséquent : TEM = K .Φ.I Le couple électromagnétique est proportionnel au courant d’alimentation d’induit. M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► MODELE ELECTRIQUE MODELE ELECTRIQUE L'inducteur est alimenté par une tension u et est parcouru par un courant i (sauf si l'inducteur est constitué d’aimants permanents). L'induit est alimenté par une tension U et est parcouru par un courant I. Modèle électrique du moteur à excitation indépendante : On peut écrire au niveau de l’induit : U = E + R.I M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT Puissance absorbée par le moteur : PA = U .I + u.i Remarque : Si l’inducteur est constitué d’aimants permanents, u.i = 0. On supposera que le flux Φ est directement proportionnel au courant d’alimentation d’inducteur i. Il y a présence de pertes par effet joule au niveau de l’inducteur (excitation) et de l’induit : PJE = u.i = r.i 2 PJI = R.I 2 La puissance électromagnétique vaut : PEM = PA − PJE − PJI = E.I M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT Lors d'un essai à vide, on peut déterminer les pertes collectives PC qui représentent la somme des pertes magnétiques ou pertes fer PF ainsi que les pertes mécaniques PM soit : PC = PF + PM On définit le couple de pertes : TP = TEM PC − TU = Ω La puissance utile disponible sur l’arbre vaut : PU = PA − PJE − PJI − PC On en déduit le rendement de la machine : PU PU = η= PA PU + r.i 2 + R.I 2 + PC M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT Bilan des puissances : PEM = E.I PA = U .I + u.i TEM PEM = Ω PJE = r.i 2 PJI = R.I 2 PU PU TU = = TEM − TP Ω PC = PF + PM M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► MODELE ELECTRIQUE MODELE ELECTRIQUE L'inducteur et l’induit sont placé en série et alimentés par une tension U et sont parcourus par un courant I. On peut écrire au niveau de l’induit : U = E + (R + r ).I M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT Puissance absorbée par le moteur : PA = U .I Il y a présence de pertes par effet joule au niveau de l’inducteur (excitation) et de l’induit : PJE = r.I 2 PJI = R.I 2 La puissance électromagnétique vaut : PEM = PA − PJE − PJI = E.I M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT Lors d'un essai à vide, on peut là aussi déterminer les pertes collectives PC qui représentent la somme des pertes magnétiques ou pertes fer PF ainsi que les pertes mécaniques PM soit : PC = PF + PM On définit le couple de pertes : TP = TEM PC − TU = Ω La puissance utile disponible sur l’arbre vaut : PU = PA − PJE − PJI − PC On en déduit le rendement de la machine : PU PU = η= PA U .I M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT Bilan des puissances : PEM = E.I PA = U .I TEM PEM = Ω PJE = r.I 2 PJI = R.I 2 PU PU TU = = TEM − TP Ω PC = PF + PM M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► CARACTERISTIQUES ► DEMARRAGE DEMARRAGE La f.e.m. est proportionnelle à la vitesse par conséquent elle est nulle au démarrage : E=0. Pour un moteur à excitation séparée : → I Dem U = R.I Dem U = R Etant donné que R est petite, le courant de démarrage est grand. Il diminue cependant au fur et à mesure que le moteur accélère. Ce courant est source de détérioration du moteur, on essaie de limiter ce courant : Par adjonction en série d'une résistance de démarrage que l'on diminue progressivement; Par augmentation progressive de la tension d'induit (démarreur). M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► CARACTERISTIQUES ► DEMARRAGE DEMARRAGE Si le moteur doit démarrer avec une charge de couple résistant TR, le courant de démarrage doit être : I Dem TR > K .Φ Pour démarrer un moteur à excitation indépendante, il faut d’abord mettre l'inducteur sous tension et ensuite seulement mettre l'induit sous tension. Si le moteur est à vide, il faut toujours couper la tension de l'induit puis celle de l'inducteur sinon on risque de produire un emballement du moteur. Pour un moteur à excitation série : Le moteur doit démarrer en charge. M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► CARACTERISTIQUES ► PLAN COUPLE/VITESSE PLAN COUPLE/VITESSE PEM = E.I = TEM .Ω E = K .Φ.Ω Pour un moteur à excitation indépendante dont le flux Φ, la tension d’alimentation U et le couple de pertes TP sont des constantes : TEM = K .Φ.I TU = TEM − TP TEM K .U K 2 = − Ω R R TU = TEM − TP T(I) T(n) M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE Exemple de la génératrice à excitation indépendante : Equation de fonctionnement : U = E − R.I M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► VARIATION DE VITESSE ► VARIATEUR IRREVERSIBLE VARIATEUR IRREVERSIBLE Remarque : Il existe deux grandes familles : Un variateur irréversible Variateurs irréversibles (ou unidirectionnels) : transfert d’énergie dans le ne peut fonctionner que sens réseau ⇒ moteur + charge ; dans les quadrants et Si l’ensemble moteur + charge présente une inertie faible, l’arrêt se fera . en roue libre. Si l’inertie est forte, un frein mécanique ou électrique (dissipation de l’énergie dans des résistances avec une machine fonctionnant en génératrice) est nécessaire. T Génératrice Moteur n Moteur Génératrice M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► VARIATION DE VITESSE ► VARIATEUR REVERSIBLE VARIATEUR REVERSIBLE Variateurs réversibles (ou bidirectionnels) bidirectionnel réseau ⇔ moteur + charge ; : transfert d’énergie Lors d’un freinage, la machine renvoie de l’énergie sur le réseau par l’intermédiaire du variateur. Le rendement est optimisé. Les 4 quadrants du plan couple/vitesse sont alors utilisables. T Génératrice Moteur n Moteur Génératrice M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► VARIATION DE VITESSE ► SYMBOLE SYMBOLE Symbole : Convertisseur continu/continu : hacheur = = Convertisseur alternatif/continu : redresseur commandé ≈ = M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE ► VARIATION DE VITESSE ► CARACTERISTIQUES CARACTERISTIQUES Quelques fonctions communes à la plupart de variateurs (pour MCC, mais aussi MAS ou MS) : Limiteurs de surintensité et de surtension, Sécurités thermiques pour le variateur et la machine, Pilotage par API ou PC par liaison propriétaire ou en réseau, Boucles de régulation de vitesse et de couple, Limiteurs d’accélération et/ou de freinage. La configuration s’effectue soit à distance (réseau) soit via une IHM sur le variateur.
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