Moteur à Courant Continue MCC

 

 

 

 

            La Machine à Courant Continue MCC est un convertisseur réversible d’énergie mécanique en énergie électrique, sous forme de tension continue :

 

 

 

Principe de fonctionnement

 

Un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique et le siège des FEM ( Force ElectroMotrice) :

Fonctionnement Générateur

 

Un conducteur, parcouru par un courant, placé dans un champ magnétique se déplace sous l’action des forces de Laplace :

Fonctionnement Moteur

 

 

Les Machines à Courant Continue MCC sont constituées d’un stator/inducteur (partie fixe de la machine) et d’un rotor/induit (partie tournante de la machine) séparée par un entrefer.

 

L’inducteur

 

Les pôles statoriques, inducteur, sont constitué d’électroaimant, crée à partir d’aimants permanents ou de bobinage branché en série.

 

Ces bobines sont parcourues par un courant continu d’excitation i.

 

Créer une f.m.m ( Force MagnétoMotrice ), sous 2 p bobines qui vont créer 2 p pôles : p pôles Nord et p pôles Sud

 

La répartition des lignes de champs sortes par le pôle Nord et entrent par le pôle Sud.

 

L’induit

 

            L’induit est formé de N conducteurs branché en série, logé dans des encoches, il constitue N / 2 spires bobinées soudés au collecteur (lames de cuivre isolées entrent-elles). Les balais en carbone frottent sur le collecteur permettant la liaison électrique de la plaque à bornes de la machine.

 

Le balai collecteur se comporte comme un redresseur de tension unidirectionnel puisque que la tension créée est alternative (pour un fonctionnement en génératrice).

 

Mais la tension créée, dans un fonctionnement en génératrice,  est alternative, si bien que le balai collecteur, permet de la redresser pour fournir une grandeur unidirectionnelle.

 

On pourra inverser le sens de rotation en inversant l’un ou l’autre des courant induit I et inducteur i

 

Les Pertes

 

Pertes

 

Pertes fer Pfer = PH + PF

        Pertes par hystérésis            Pertes par courant Foucault

                     PH                              PF

       Exprimé en Watt                    Exprimé en Watt

Pertes Joules

 

PJ

Exprimé en Joules

Pertes mécaniques

 

Pm

Exprimé en Watt

Causes

 

Elles sont dues à l’hystérésis (champ rémanent). PH augmentent en fonction de l’aire du cycle d’hystérésis.

L’origine des Fem induites fait naître des courants induits dans le fer.

Elles sont dues aux résistances des bobinages statoriques et rotoriques.

Elles sont dues aux frottements et aux pièces en mouvement.

Solutions

Utilisation de matériaux à cycles étroits, comme le fer au silicium.

En feuilletant le circuit magnétique (ensemble de tôles isolées entrent-elles)

Utilisation de ventilation pour refroidir la machine.

Utilisation de roulements et de lubrifiants.

 

 

Expression de le Force Electromotrice

 

E est la Fem de la machine : Fonctionnement en génératrice.

E’ est la Fcem qui s’oppose à la tension d’alimentation U : Fonctionnement en moteur.

 

                       

Avec                E = Force Electromotrice en V

E’ = Force Contre Electromotrice en V

P = Nombre de paire de pôles

a = Nombre de paire de voie d’enroulement

N = Nombre de conducteurs actifs sous un pôle

n = Vitesse / Fréquence de rotation en tr/s

Ф = Flux magnétique utile sous un pôle en Webers (Wb)

 

                         

           

Posons  Zone de Texte: Ω = 2 π n             alors    Zone de Texte: E = . 1 . P N Ω Ф 2 π a     →         Zone de Texte: E = k Ω Ф

 

            Avec                Zone de Texte: k = . 1 . P N = constante 2 π a

 

et que si on admet que le flux magnétique Ф est constant pour un courant excitation Iexci donnée constant.

 

            Alors    Zone de Texte: E = K Ω              avec     Zone de Texte: K = . 1 . P N Ф = constante 2 π a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Remarque :

            Zone de Texte: Ф =f ( Iexci )

Caractéristique  Ф ( i )

 

Cette courbe représente la courbe de magnétisation du circuit magnétique de l’inducteur de la machine.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


On constate :

 

·         Lorsque Iexci est faible : Le flux est proportionnel au courant.

 

·         A partir de certaines valeurs de Iexci, l'acier se sature, le flux croît mais moins vite que l’intensité Iexci.

 

·         Lorsque Iexci redevient nulle, le champ magnétique n'est pas nul (rémanence du circuit magnétique).

 

Puissance & Couple Electromagnétique

 

Un conducteur, parcouru par un courant, placé dans un champ magnétique se déplace sous l’action des forces de Laplace. 

 

Sur ce principe le rotor de la machine développe une Puissance Electromagnétique à laquelle correspond et un couple que l’on nommera Couple Electromagnétique.

 

Puissance Electromagnétique

 

Zone de Texte: Pe = T Ω = EI E = k Ω

                                                           Avec                Pe = Puissance Electromotrice en W

T = Couple Electromotrice en Nm

Ω = Vitesse / Fréquence de rotation en Rad/s

E = Force Electromotrice en V

I = Courant induit en A

 

Couple Electromagnétique

 

                        Zone de Texte: Pe = T Ω = EI E = k Ω

 

Zone de Texte: Pe = T Ω = P N n Ф I a              Zone de Texte: T Ω = P N n Ф I a  

 

 

Posons  Zone de Texte: Ω = 2 π n             alors                Zone de Texte: T Ω = . 1 . P N Ω Ф I 2 π a

 

Zone de Texte: T Ω = . 1 . P N Ω Ф I 2 π a        →         Zone de Texte: T = k Ф I

 

( T % Ф  →  Pour avoir Tmax il faut fixer Фmax)

                       

Avec                Zone de Texte: k = . 1 . P N = constante 2 π a k = . P N . = constante a

 

et que si on admet que le flux magnétique Ф est constant pour un courant excitation Iexci donnée constant.

 

            Alors    Zone de Texte: T = K I              avec     Zone de Texte: K = . 1 . P N Ф = constante 2 π a

 

Couple de Pertes

 

Le Couple de Pertes Tp est directement lié au Pertes Collectives Tc

 

Zone de Texte: Tp = Pc = Pfer + Pm Ω Ω

 

 

Relation liant les différents couple de la Machine

 

Zone de Texte: J dΩ = Te – Tp - Tr dt  

Avec                Te = Couple Electromotrice en Nm

Tp = Couple perte en Nm

Tr = Couple résistant en Nm

J = moment d’inertie en kg.m²

Ω = Vitesse / Fréquence de rotation en Rad/s

t = temps en s

Nota :

 

En régime Transitoire :

 

L’étude des régimes transitoire (démarrage (l’accélération) et le freinage (décélération)) impose la connaissance du moment d’inertie J.

 

En régime permanent :

 

            Zone de Texte: J dΩ = 0 dt   →         C’est à dire que la vitesse et constante.

 

            Les caractéristique mécanique de la charge et de la machine on un point d’intersection dit de fonctionnement ; le moment fourni par le moteur est identique au moment du couple résistant de la charge.

 

 

Les différents types de branchements

 

On peut réaliser l’excitation des moteurs de plusieurs façons :

 

·         Moteur à Excitation Indépendante

·         Moteur à Excitation dérivation : en cours d’étude

·         Moteur à Excitation Série

 

Chaque branchement sera étudié au cours de ce chapitre.

 

 

 

MCCI : Moteur à Excitation Indépendante

 

   Zone de Texte: u = r i                                Zone de Texte: U = E + RI

 

Sur la plaque signalétique de la machine, le constructeur indique les valeurs nominales des tensions U u et des courants I i, de la fréquence de rotation n et de la puissance mécanique fournie Pu.

 

 

 

Arbres des puissances

 

Les Pertes Collectives Pc

 

Encore appelé, pertes constantes, les pertes collectives regroupent les pertes fers et les pertes mécaniques.

 

Zone de Texte: Pc = Pfer + Pm

Pour détermination des Pertes Collectives Pc à vide :

 

A vide  Zone de Texte: Pu = 0 

 

Zone de Texte: Uv Iv = R Iv² + Pc → Pc = Uv Iv + R Iv²

           

Sachant que Iv est faible Zone de Texte: Uv Iv >> R Iv²

 

Alors    Zone de Texte: Pc ≈ Uv Iv

 

 

Caractéristique  n( I )

 

 

 

Caractéristique  T( I ) Tu( I )

 

 

 

Zone de Texte: T = T - Tp

 

Caractéristique  Tu( n ) & Tr( n )

        

         Le constructeur fournit la courbe Tu( n ) qui permet de choisir le moteur adapté par rapport à la charge.

 

On déduit la courbe Tu( n ) point par point par rapport aux courbes Tu( I ) & T( I )

 

 

         Le point de fonctionnement P d’un moteur chargé se situe à l’intersection des caractéristiques mécaniques Tu( n ) et Tr( n ).

 

Méthode de résolution :

                  

·         Graphique

·         Par calcule Tu( n ) = Tr( n )

                                             

 

Démarrage

 

Intensité du courant de démarrage : Id

 

L’expression de ID à l’instant où nous appliquons directement aux bornes de l’induit immobile sa tension nominale, et la suivante :

 

 

Si la charge impose une montée en vitesse longue, la surintensité prolongée risque d’être destructrice pour le rotor, ce qui interdit alors le démarrage direct.

 

Remarque : On limite souvent la pointe de démarrage à 1.5 In

 

Démarrage Rhéostatique

 

En branchant un rhéostat Rh en série avec l’induit, on limite le courant.

 

Si on impose Idmax = In, on pourra faire varier la vitesse à partir du rhéostat et éliminer la pointe d’intensité.

 

A vide E = 0 V

 

 

Démarrage sous une Tension Réduite

 

On alimente l’induit sous une tension réduite dite de « décollage » Ud.

La charge impose au moteur de fournir un couple utile donc un courant dite de décollage.

 

 

Ce procédé nécessite une source de tension réglable ; l’intérêt est le démarrage sans à-coup.

 

Le MCCI peut démarrer avec sa charge nominale.

 

 

Moteur à Excitation Série

 

L’inducteur est en série avec l’induit, il est traversé par le même courant I. Pour inverser le sens de la rotation, il faudra donc permuter les connexions entre les circuits d’induits et d’inducteur. On appelle Rt, la résistance totale du moteur : Inducteur + Induit

 

 

Zone de Texte: U = E + Rt I avec            Zone de Texte: E = k Ω Ф         Zone de Texte: T = k Ф I

 

 

Arbres des puissances

 

 

Caractéristique  n( I )

 

 

 

Si la charge du moteur diminue fortement, I → 0 et n → ∞ : Le moteur série tend à s’emballer à vide, il doit toujours fonctionner en charge.

 

n est très variable selon la charge.

 

            En réalité, quand I   ↑ ,  Ф   ↑  ,  n  ↓   

 

Ф   ↑   de moins en moins vite dés que le fer commence à saturer.

 

Caractéristique  T( I )

 

Zone de Texte: T = k Ф I

           

            Le CM ne sature pas     →         Ф = K I                         →         Zone de Texte: T = k’I²  fonction parabolique

 

            Avec Zone de Texte: k’ = k K

 

 

Contrairement au MCCI, les Pc ne sont pas constant.

 

Zone de Texte: Tp = Pc = Pfer + Pm Ω Ω

 

En admettant :

 

Les pertes mécanique Pm est proportionnelle à la vitesse de rotation Ω : Pm = k’’ Ω

Les pertes fer Pf dépend du flux Ф et de la vitesse Ω :            Pf ( Ф, Ω)

 

         Or quand  I   ↑ ,  Ф   ↑  ,  n  ↓  ,   Pf   ↑ ,  Pc   ↑  ,  Tu  ↓  

                                                   Ω

 

Caractéristique  Tu( I )

 

            Déduction de la courbe point par point.

 

 

Conclusion :

 

Type de démarrage :

 

Démarrage Rhéostatique, Démarrage sous Tension Réduite

 

Règle des trois doigts de la main droite :

→

Pouce               F

→

Index              I

→

Majeur             B