machine à courant continu Etude et Commande Ahmed ABBOU
[email protected] Ecole Mohammadia d’Ingénieurs Année Universitaire 2011/2012 A. ABBOU
1
machine à courant continu Etude et Commande But du cours
• L’objectif de ce cours est d’étudier le fonctionnement de la machine à courant continu, puis élaborer les commandes permettant son fonctionnement à vitesse variable et enfin, la régulation de vitesse sur Matlab/Simulink et l’implantation en temps réel sur carte dSPACE. A. ABBOU
2
machine à courant continu Etude et Commande Plan du cours 1- Constitution 1-1 Principe de fonctionnement 1-2 Technologie 1-3 Fonctionnement en Moteur/Génératrice 2- Différents types suivant l’excitation 3- Equations et Caractéristiques 4- Variation de vitesse de la MCC 4-1 Source d’alimentation alternative 4-2 Source d’alimentation continue 4-3 Fonctionnement dans les 4 quadrants 5- Régulation de vitesse de la MCC sur Matlab/Simulink 6- Introduction aux DSP 7- Etude et exploitation de la carte dSPACE DS1104 à base A. ABBOU 3 du DSP TMS320F240 appliquée à un MCC
machine à courant continu Etude et Commande Constitution Vue d’ensemble
A. ABBOU
4
machine à courant continu Etude et Commande Constitution
des Balais
A. ABBOU
5
machine à courant continu Etude et Commande Constitution La machine comporte deux parties principales : - une partie fixe : le STATOR qui porte l’inducteur - une partie mobile : le ROTOR qui porte l’induit
Rotor
A. ABBOU
Stator
6
machine à courant continu Etude et Commande Constitution
A. ABBOU
7
machine à courant continu Etude et Commande Constitution
Le rotor comporte un grand nombre de circuits élémentaires nommés « sections ». A. ABBOU
8
machine à courant continu Etude et Commande Constitution
A. ABBOU
9
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement Un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique est soumis à une force électromagnétique qui l’entraine S’il est libre de se déplacer. Il ya travail de cette force donc apparition de l’énergie mécanique, C’est la loi de Laplace: Réciproquement, si on dépense de l’énergie mécanique Pour provoquer le déplacement d’un conducteur, mobile dans un champs magnétique, il ya apparition d’un courant Induit dans ce conducteur puisqu’il coupe les lignes d’induction Magnétique. Il y’aura donc apparition de force électromotrice Aux bornes d’une spire soumise à une induction variable, C’est la loi de Lenz:
A. ABBOU
10
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement -La circulation d’un courant If dans la bobine ff’ crée Un champ magnétique dirigé suivant l’axe de la Bobine et dont le sens est donné par la règle de tire bouchon.
f -
- Il ya deux types de flux: Le flux principal, cas où f’ e Les lignes d’induction arrivent au rotor, Le flux de fuite ou de dispersion d’encoche, cas où les lignes d’induction n’arrivent pas au rotor. Calcul de la répartition de champ magnétique dans l’entrefer: Hypothèses: - Perméabilité de fer infinie - Machine parfaitement symétrique e: entrefer Théorème d’Ampère: Nf: nombre de spires de la bobine statorique A. ABBOU
11
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement Si
désigne la position d’un point quelconque d’entrefer par rapport à l’axe de la bobine compté positivement dans le sens trigonométrique, L’expression de champ conduit à une répartition angulaire: Forme décomposable en série de Fourier selon:
Kk coefficient dépendant de l’ordre de L’harmonique et de la forme de l’entrefer, Soit le fondamental:
Question: Donner la forme et l’expression de H dans le cas d’une machine à entrefer constant? A. ABBOU
12
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement
f.e.m. induite: Lorsque le rotor tourne à la vitesse angulaire dans le champ magnétique crée par le stator, la f.e.m. induite dans la bobine rotorique aa’ Résulte de la loi de Faraday. On noteR: rayon de cylindre l: longueur de cylindre
2=
t2
a’
a 1=
t1
On a: Sa: surface couvercle Posée sur la bobine rotorique A. ABBOU
13
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement F.e.m. induite:
Soit:
Avec:
et: A. ABBOU
14
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement
• A vitesse constante, la f.e.m. dynamique rotorique est •
l’image de l’induction réalisée par le courant statorique Cette f.e.m. est représentée en fonction de temps par une courbe semblable à celle de H( ).
F.e.m. induite totale -entre les balais-: Soit Ns, le nombre de spires total rotorique (nombre de spire sur 2 )
Le nombre de spire sur un angle
A. ABBOU
est donné par:
15
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement Soit:
Flux sortant d’un pôle
Soit:
Si on pose:
A. ABBOU
16
machine à courant continu Etude et Commande Fonctionnement Remarques
• La f.e.m. au balais peut changer de signe si on • •
change le sens de rotation ou si on change le sens du courant d’excitation, Cette f.e.m. est proportionnelle à la vitesse de rotation et au flux, Certain petite génératrice sont à aimant permanent comme circuit statorique, la f.e.m. est proportionnelle à la vitesse uniquement. A. ABBOU
17
machine à courant continu Etude et Commande Expression du Couple - S’il ya 2a voies en parallèle dans le bobinage de l’induit , il passe I/2a dans Chaque conducteur. - La force s’exerçant sur un conducteur est : B(I/2a)L - Le moment de cette force par rapport à l’axe de rotation est: D: diamètre de l’induit, L: Longueur des conducteurs Soumise au flux inducteur
n: nombre de conducteurs de l’induit,
: flux par pôle
Le moment total ou couple électromagnétique s’écrit lors:
L’induction moyenne Bmoy que subit un conducteur lors de son passage sous un Pôle est le quotient du flux d’un pôle par la surface de l’induit située sous Ce pôle (surface polaire): A. ABBOU
18
machine à courant continu Etude et Commande Expression du Couple En reportant dans l’expression de C, on obtient:
Proportionnel au flux créé par l’inducteur au courant passant dans l’induit Dans le cas de MCC, La puissance transformée est celle qui correspond au couple électromagnétique:
Avec N, la vitesse de l’induit en tours par seconde A. ABBOU
19
machine à courant continu Etude et Commande Problème de la Commutation
A. ABBOU
20
machine à courant continu Etude et Commande Problème de la Commutation
A. ABBOU
21
machine à courant continu Etude et Commande Exercice: Déterminer l’évolution du courant dans la bobine au cours de la commutation
On pose:
A. ABBOU
22
machine à courant continu Etude et Commande Problème de la Commutation
A. ABBOU
23
machine à courant continu Etude et Commande Le problème de la réaction d’induit
A. ABBOU
24
machine à courant continu Etude et Commande Inconvénients de la réaction d’induit
• La réaction d’induit à un effet démagnétisant, • La distorsion de la courbe d’induction possède une influence néfaste sur la limitation de la charge maximale possible de la machine, • Décalage de la ligne neutre et risque du destruction de collecteur
A. ABBOU
25
machine à courant continu Etude et Commande
Inconvénients de la réaction d’induit - diminution de la f.e.m.:
La réduction de flux circuit magnétique
augmente avec I et avec la saturation du
-Inductance du circuit du courant I gênante: L’induit crée un flux, il a donc une inductance. Cette inductance est gênante si l’on veut faire varier très rapidement le courant dans l’induit et donc le couple. A. ABBOU
26
machine à courant continu Etude et Commande Remède:
A. ABBOU
27
machine à courant continu Etude et Commande Remarque La machine à courant continu est totalement réversible,
elle peut fonctionner indifféremment en moteur ou en génératrice. OU énergie électrique
MOTEUR
énergie mécanique
énergie mécanique
A. ABBOU
GENERATRICE
énergie électrique
28
machine à courant continu Etude et Commande Différentes types suivant l’excitation:
A. ABBOU
29
machine à courant continu Etude et Commande Les équations: Fonctionnement en Moteur
A. ABBOU
30
machine à courant continu Etude et Commande Caractéristiques:
ou
A. ABBOU
31
machine à courant continu Etude et Commande Caractéristiques:
A. ABBOU
32
machine à courant continu Etude et Commande Caractéristiques:
A. ABBOU
33
machine à courant continu Etude et Commande Différentes pertes:
A. ABBOU
34
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante: On néglige la réaction magnétique d’induit:
A. ABBOU
35
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante:
A. ABBOU
36
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante:
A. ABBOU
37
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante:
A. ABBOU
38
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante:
A. ABBOU
39
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante:
A. ABBOU
40
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante:
A. ABBOU
41
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation indépendante:
OU A. ABBOU
42
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation série:
A. ABBOU
43
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation série:
A. ABBOU
44
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation série:
A. ABBOU
45
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation série:
A. ABBOU
46
machine à courant continu Etude et Commande Moteur à excitation série:
A. ABBOU
47
machine à courant continu Etude et Commande Caractéristiques en régime dynamique: Les équations de fonctionnement de la machine à courant continu en régime dynamique sont :
Cr ensemble des couples résistants incluant les couples de perte de la machine Flux total dans la machine J moment d’inertie et f coefficient de frottement visqueux A. ABBOU
48
machine à courant continu Etude et Commande Caractéristiques en régime dynamique:
• En supposant le flux d’excitation constant et le couple de
perte de la machine Cp=f , ces équations deviennent, avec p variable de Laplace :
A. ABBOU
49
machine à courant continu Etude et Commande Schéma bloc de la MCC:
A. ABBOU
50
machine à courant continu Etude et Commande
Etude Analytique de la génératrice à excitation cst: • La caractéristique à vide d’une génératrice, mesurée à la vitesse N0=1500tr/min est donnée par l’expression suivante:
Ie=a.E+b.E
Avec: a=1,95.1O-3 , b=3,11.1O-15 ,
=5,8
L‘inducteur présente une résistance Rf=100 Une alimentation à courant continu de tension Vf=220V, fournit l’excitation de la machine à travers une résistance additionnelle de valeur Radd=175 . Q: Calculer le courant d’excitation et la f.e.m. à vide? La réaction magnétique d’induit engendre une chute de tension de 12V, pour un courant d‘armature de 10A. L’induit présente une résistance R=1,2 . Q: Pour un courant d’induit de 15A, calculer la tension aux bornes? A. ABBOU
51
machine à courant continu Etude et Commande Solution:
A. ABBOU
52
machine à courant continu Etude et Commande Solution:
A. ABBOU
53
machine à courant continu Etude et Commande Exercice Moteur shunt: • Un moteur shunt de résistance d’induit 0,1 et de résistance de
champ Rf=60 est alimenté sous tension constante V=120V. Il tourne à 900tr/min et consomme un courant I=70A et fourni un couple utile de 80Nm, La réaction d’induit est négligeable et la carcasse n’est pas saturée. 1- Quel est son rendement 2- Quelles sont les pertes joules et les pertes rotationnelles 3- Quel serais son rendement s’il consommait un courant de 35A. 4- Quel serait sa vitesse e son couple utile dans les conditions de (3 )
A. ABBOU
54
machine à courant continu Etude et Commande Solution:
A. ABBOU
55
machine à courant continu Etude et Commande Exercice Moteur Série: • Un moteur série de résistance d’armature 0,2 et de résistance
d’inducteur série 0,1 est alimenté sous une tension V=230V. La réaction d’induit est négligeable et le circuit magnétique non saturé. A la vitesse N1=1200tr/min, il consomme un courant I1=40A. 1- Quel est le couple électromagnétique développé? 2- Quelle serait la vitesse N2 s’il consommait seulement un courant I2=20A? 3- Quel serait alors son couple?
A. ABBOU
56
machine à courant continu Etude et Commande Exercice Moteur Série: • Un moteur série alimenté sous 250V de résistance d’armature 0,2 , de résistance d’inducteur 0,15 est monté avec un rhéostat de 0,1 en parallèle sur l’inducteur est muni d’un interrupteur. Lorsque l’interrupteur est ouvert, le moteur consomme 40A et tourne à 800tr/min.
Q: Quels sont les nouvelles valeurs de courant consommé et d la vitesse lorsqu’on ferme l’interrupteur et lorsqu’on double le couple? A. ABBOU
57
machine à courant continu Etude et Commande 4-Variation de la vitesse de rotation:
A. ABBOU
58
machine à courant continu Etude et Commande Un domaine fermé définit l’ensemble des couples ( Cem, ) possibles pour une machine donnée.
Question : Quelle est la nature du fonctionnement correspondant aux quatre points d’intersection des droites limites ?
A. ABBOU
59
machine à courant continu Etude et Commande Quadrant 1
A. ABBOU
60
machine à courant continu Etude et Commande Quadrant 1
I
U>0a I>0aC>0
U
+
Cem
+
aC >0 aFonctionnement en moteur avant
Le dispositif d’alimentation fournit une puissance électrique.
Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu.
A. ABBOU
61
machine à courant continu Etude et Commande Quadrant 2
Quadrant 1
A. ABBOU
62
machine à courant continu Etude et Commande Quadrant 2
I U0aC>0 aC
+
Cem
+
0
aFonctionnement en génératrice arrière
Le dispositif d’alimentation reçoit une puissance électrique.
Les conventions de sens courant et de rotation sont en bleu.
A. ABBOU
63
machine à courant continu Etude et Commande Quadrant 2
Quadrant 1
Quadrant 3
A. ABBOU
64
machine à courant continu Etude et Commande I
U
Quadrant 3
+
Cem
+
U
