La variation de vitesse de la machine à courant continu

La variation de vitesse de la machine à courant continu

LES PRINCIPES DE LA MACHINE A COURANT CONTINU

LES CONVERTISSEURS STATIQUES

L ’ARCHITECTURE DE COMMANDE DES ENSEMBLES CONVERTISSEUR/MACHINE

Les principes de la machine à courant continu

Constitution

Principe

Technologie

Equations de fonctionnement

Caractéristiques électromécaniques

Principe des dispositifs d ’alimentation

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 élémentaire

NS

N

S

Bi

Be

Réponse:

Principe élémentaire

N

S

Bi

Be

N

S

Réponse: Un effort d'attraction

Mais le mouvement reste limité à cette nouvelle position stable.

Il faut malgré le mouvement produit, maintenir le décalage des 2 champs pour entretenir un effort d’attraction continu et ainsi produire une rotation.

Conclusion:

Comment ?

-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.

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 ?

Les deux types de machine à champs couplés

Bi

Be

N

S

N S


NS

N

S

Bi

Be


Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs.

Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant.

Principe d ’aiguillage du courant d ’induit

Be

Couple

Bi

1

Faire tourner de +22,5°

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 .


Be

Couple

Bi1


Faire tourner de -22,5°




Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi1






Be

Couple

Bi

1






Be

Couple

Bi

1


Pour aller plus loin…


Be

Couple

Bi

1

Pour aller plus loin…

-Comment pourrait-on réduire l’ondulation du couple ?

-Quel est l’influence de la position des balais sur le fonctionnement ?

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.

Vue en coupe

Boîte à bornes

VentilateurInduit bobiné Inducteur

Balais

Collecteur

Pour imprimer










Induit bobiné

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.

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.

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%.

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.

Pour archiver….

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

5

1

7

2

3

4


RR LR L Ei

U

R L E

EdtdiLRiU

E=k…

M

i

Uie

Ce

Cr

J

M

i

Uie

Cem

M

i

Uie

Cem= k…

Cem= k i…

Cem= k i e

dtdJCrCem

E=k …

E=k e

Attention! Les séquences qui suivent sont sonorisées.


En résumé:i

Uie

Ce

Cr

J

RLE

Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont :

1°)

2°) E=k e

3°) Cem= k i e

4°)

EdtdiLRiU

dtdJCrCem

Caractéristiques électro-mécaniques Dans un problème de motorisation, la charge entraînée impose au moteur de développer un couple électromagnétique Cem et une vitesse adaptés aux nécessités de fonctionnement.

Il est donc nécessaire pour un moteur donné, de définir l’ensemble des points de fonctionnement atteignables.

CemIkCem

k

RIU

KICem

CemKR

KU 2

Avec K= k nominal

Dans la pratique, on maximise le couple Cem par ampère en donnant au flux d’excitation sa valeur nominale, soit nominal.

Caractéristiques électro-mécaniquesCem

I1

-I1

Cem=KI1


I2

-I2

Cem=KI2


In

-In

Cem=KIn


In

-In

Cem=KIn

U1-U1

RK

URKCem

2

1


In

-In

Cem=KIn

U2-U2

RK

URKCem

2

2


In

-In

Cem=KIn

Un-UnUn domaine fermé définit l’ensemble des couples ( Cem, ) possibles pour une machine donnée.

RK

nURKCem

2

Question :

Quelle est la nature du fonctionnement correspondant aux quatre points d’intersection des droites limites ?

Un

Principe des dispositifs d’alimentationCem

In

-In

Un-Un

Quadrant 1


In

-In

Un-Un

C>0

Fonctionnement en moteur avant

+

+U>0

U

I>0C>0

ICem

Quadrant 1

Les conventions de sens courant et de rotation sont en

bleu.

Le dispositif d’alimentation fournit une puissance électrique.


In

-In

Un-Un

Quadrant 1Quadrant 2


In

-In

Un-Un

C0

Fonctionnement en génératrice arrière

+

+U<0

U

I>0C>0

ICem

Quadrant 2


bleu.

Le dispositif d’alimentation reçoit une puissance électrique.


In

-In

Un-Un


Quadrant 3


In

-In

Un-Un

C>0

Fonctionnement en moteur arrière

+

+

U<0

U

I<0C<0

ICem

Quadrant 3


bleu.

Le dispositif d’alimentation fournit une puissance électrique.


In

-In

Un-Un




In

-In

Un-Un

C0

Fonctionnement en génératrice avant

+

+

U>0

U

I<0C<0

ICem

Quadrant 4


bleu.

Le dispositif d’alimentation reçoit une puissance électrique.


In

-In

Un-Un



Conclusion


In

-In

Un-Un

+

+ I

CemU


Quadrant 1

M+

+ I

CemU


Quadrant 2

G

+

+ I

CemU


Quadrant 3

M +

+ I

CemU


Quadrant 4

G

Pour passer des quadrants Q1Q4 ou Q2Q3 le dispositif d’alimentation devra être réversible en courant.

Pour passer des quadrants Q1Q2 ou Q3Q4 le dispositif d’alimentation devra être réversible en tension.

Conclusion

Les convertisseurs statiques

SOURCE D’ALIMENTATION ALTERNATIVE

Redresseur/onduleur à logique d’inversion

SOURCE D’ALIMENTATION CONTINUE

Hacheur en pont complet

Source d’alimentation alternativeRedresseur/ Onduleur à logique d’inversion

R E

MCC

1 32Réseau

Im

Um

R

E

MCC

Pour que la machine évolue dans les quatre quadrants, le dispositif de conversion alternatif/continu devra être:

-réversible en tension ( marche avant ou arrière ).

-réversible en courant ( fonctionnement moteur ou générateur ).

Question : Comment réaliser la conversion alternatif/continu ?

-Avec un pont de Graëtz à thyristor.


R E

MCC

Schéma de principe:

1 32Réseau

Im

Um

R

E

MCCI pont 1

Upont 1E,

C, Im

Moteur

avant

Génératrice

arrière

Question : Comment réaliser la réversibilité en courant ?

-En ajoutant un deuxième pont de Graëtz en anti-parallèle.

La nature unidirectionnelle des thyristors du pont 1 impose:

Im = I pont1 avec Im > 0

Lorsque le convertisseur fonctionne en redresseur, Um = Upont 1 avec Um > 0

« Le réseau alimente la machine »

Lorsque le convertisseur fonctionne en onduleur, Um = Upont 1 avec Um < 0

« La machine alimente le réseau »


R E

MCC

Schéma de principe:

1 32

I pont 2

Upont 2

Réseau

Im

Um

R

E

MCCI pont 1

Upont 1

E,

C, Im

Moteur

avant

Génératrice

arrière

Génératrice

avant

Moteur

arrière

Maintenant, comment vais-je commander les deux ponts ?

….surtout pas ensemble, sinon je risque le court-circuit direct avec le secteur….

…de toutes façons, un seul pont à la fois peut conduire Im…….

….il faut donc que je prenne des précautions pour passer d’un pont à l’autre……

…d’abord, commander l’annulation du courant du pont qui fonctionne…

….ensuite, lorsque le courant est nul, bloquer la commande du pont et attendre 4 à 5 ms pour être sûr qu’il est bien bloqué…..

…bon, maintenant je dois pouvoir autoriser le fonctionnement de l’autre.

J’ai compris…..


1 32Réseau

R

E

MCC

COMMANDEPONT 1

COMMANDEPONT 2 Mesure

courant

Référence

courant

Régulateur

de courant

Validation

pont1/pont2Pour imprimer


ET

ET

S

R

Q

temporisation4 à 5 msec

monostable valeurabsolue

valeur mini

détectionseuil mini

détectionchoix pont

Mesurecourantmoteur

Référencecourantmoteur

Validationpont1

S

R

QValidation

pont2 monostable

autorisation changement pont


C, Im

E,

Upont 1<0

Onduleur

Upont 2>0

Onduleur

Upont 1>0

Redresseur

Upont 2<0

Redresseur

R

E

MCC

1 32

I pont 1

Upont 1

I pont 2

Upont 2

RéseauIm

Um

Source d’alimentation continue

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Un fonctionnement dans les 4 quadrants du plan couple/vitesse nécessitent 4 interrupteurs. Ils autorisent l’alimentation du moteur sous une tension +Ualim/-Ualim.

L’association parallèle transistor-diode leur confère la réversibilité en courant nécessaire au fonctionnement dans les 4 quadrants.

Fonctionnement :

urt

urt

urt

urt4

Les relevés…


Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Configuration 1

M

Cem

M

T1, T4 fermés

T2, T3 ouverts

D1, D4 ouvertes

D2, D3 ouvertes

T1

T2 T4

T3D1

D4D2

D3


Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Configuration 2

G

Cem

G

T1, T4 ouverts

T2, T3 ouverts

D1, D4 ouvertes

D2, D3 fermées

T1

T2 T4

T3D1

D4D2

D3


Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Configuration 3

M

Cem

M

T1, T4 ouverts

T2, T3 fermés

D1, D4 ouvertes

D2, D3 ouvertes

T1

T2 T4

T3D1

D4D2

D3


Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Configuration 4

G

Cem

G

T1, T4 ouverts

T2, T3 ouverts

D1, D4 fermées

D2, D3 ouvertes

T1

T2 T4

T3D1

D4D2

D3

Source d’alimentation continue Le relevé ci-dessous représente l’évolution du courant et de la tension aux bornes du moteur à courant continu.

Cem

12

43

Relevé A

Questions:

-A quelles configurations ( 1, 2, 3, ou 4) de fonctionnement ces courbes font-elles références ?

-A quel quadrant correspondent-elles si on raisonne en valeur moyenne ?


Cem

12

43

Relevé B

Questions:




Questions:



Cem

12

43

Relevé C


Questions:



Cem

12

43

Relevé D

Résumé..

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

MOTEUR AVANT GENERATRICE AVANT

Marche avant avec hacheur

Suite…

Marche arrière avec hacheur

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

MOTEUR ARRIERE GENERATRICE ARRIERE

Les deux types de machine à champs couplés

Bi

Be

N

S

N S


NS

N

S

Bi

Be


Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs.

Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant.

Pour archiver….

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

5

1

7

2

3

4


En résumé:i

Uie

Ce

Cr

J

RLE

Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont :

1°)

2°) E=k e

3°) Cem= k i e

4°)

EdtdiLRiU

dtdJCrCem


In

-In

Un-Un

+

+ I

CemU


Quadrant 1

M+

+ I

CemU


Quadrant 2

G

+

+ I

CemU


Quadrant 3

M +

+ I

CemU


Quadrant 4

G

Pour passer des quadrants Q1Q4 ou Q2Q3 le dispositif d’alimentation devra être réversible en courant.

Pour passer des quadrants Q1Q2 ou Q3Q4 le dispositif d’alimentation devra être réversible en tension.

Conclusion


C, Im

E,

Upont 1<0

Onduleur

Upont 2>0

Onduleur

Upont 1>0

Redresseur

Upont 2<0

Redresseur

R

E

MCC

1 32

I pont 1

Upont 1

I pont 2

Upont 2

RéseauIm

Um


ET

ET

S

R

Q

temporisation4 à 5 msec

monostable valeurabsolue

valeur mini

détectionseuil mini

détectionchoix pont

Mesurecourantmoteur

Référencecourantmoteur

Validationpont1

S

R

QValidation

pont2 monostable

autorisation changement pont

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

MOTEUR AVANT GENERATRICE ARRIERE

Marche avant avec hacheur

Marche arrière avec hacheur

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

Ualim

U

I

fm1

fm2

fm3

fm4

MOTEUR ARRIERE GENERATRICE ARRIERE

Architecture de commande

CONVERTISSEUR

D'ALIMENTATION

DU MOTEURM

RESEAU

commande

Iinduit

Uinduit

charge

nmoteur

Couple résistant

Alimentation en tension Un convertisseur transforme le réseau triphasée en une source de tension continue réglable.

Un signal de commande détermine l’amplitude de cette tension continue.

Appliquée à l’induit de la MCC, cette tension détermine l’évolution du courant.

Le couple moteur engendré, détermine alors l’évolution de la vitesse de la ligne d’arbre.

Un convertisseur transforme le réseau triphasée en une source de tension continue réglable.

Un signal de commande détermine l’amplitude de cette tension continue.

Appliquée à l’induit de la MCC, cette tension détermine l’évolution du courant.

Le couple moteur engendré, détermine alors l’évolution de la vitesse de la ligne d’arbre.

Relevé du démarrage et de la mise en charge du moteur


0 500.0m

500.0

125.0m 250.0m 375.0m

0

250.0

Uinduit

nmoteur/10

Couple résistant

Iinduit

Surintensité

Survitesse

Question : Comment supprimer la surintensité transitoire ?

- En alimentant la machine en courant.

Un asservissement de courant impose la commande du convertisseur. Ainsi, l’alimentation progressive en tension de l’induit interdit les surintensités.


CONVERTISSEUR

D'ALIMENTATION

DU MOTEURM

RESEAU

commande

Iinduit

Uinduit

charge

nmoteur

Couple résistant

Système deréglage du

courant I et du couple

moteur

consigne courant

Alimentation en tension contrôlée en courant



0 500.0m125.0m 250.0m 375.0m

0

250.0

500.0

nmoteur/10

IinduitCouple résistant

Uinduit

Chute de vitesse

Courant limité

Question : Comment supprimer la chute de vitesse ?

- En contrôlant aussi la vitesse

Un asservissement de vitesse impose la consigne de courant d’induit nécessaire au suivi d’une consigne de vitesse.


CONVERTISSEUR

D'ALIMENTATION

DU MOTEURM

RESEAU

commande

Iinduit

Uinduit

charge

nmoteur

Couple résistant

Système deréglage du

courant I et du couple

moteur

consigne courant

Système deréglage dela vitesse

consigne vitesse

DT

Alimentation en tension contrôlée en vitesse et limitée en courant



0 500.0m125.0m 250.0m 375.0m

0

250.0

500.0

U in d u it

n m oteu r /1 0

C o u p le ré s is ta n tI in d uit

Courant limité

Vitesse maintenue

Asservissement de courant : plus de surintensité

Asservissement de vitesse : plus de chute de vitesse

Documents

La variation de vitesse de la machine à courant continu