Etude Simulation de Convertisseur Machines à Courant Continu

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE DJILALI BOUNAAMA DE KHEMIS-MILIANA FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUE SPECIALITE : Automatisme et informatique industrielle

MCC

Etude simulation de convertisseur machines à courant continu MODULE : TP Association convertisseur-machine

ENCADRE PAR :

REALISE PAR :

Dr. HAMZAOUI

IQDYMAT AHMED MESSAOUDI Ibrahim BOUCHERIT Ahmed

Année universitaire 2016/2017 MCC

Page 0

TABLE DES MATIÈRES CHAPITRE I: Générale     

Introduction ...................................................................................................................2 Symbole MCC..................................................................................................................4 Constitution d’une machine à courant continu………….................................5 Principe de fonctionnement....................................................................................6 Utilisations de la machine à courant continu……………………………….......6

CHAPITRE II: MODELISATION DU MCC    

Modélisation de la machine à courant continu ...………………………………7 Transformées de Laplace ………………………………………………………….….10 Schémas blocs ………………………………………………………………………….….11 Modèle Simulink de MCC …………………………………………..………………….12

CHAPITRE III SIMULATION SUR MatLab  Simulation d’une MCC à excitation séparée ………………………………….14  Simulation d’une MCC à excitation shunt ……………………………………..16  Si1nulation d’une MCC à excitation série … ………………………………….18

Conclusion général ............................................................................................................20

MCC

Page 1

INTRODUCTION : Un moteur à courant continu est une machine électrique. Il s'agit d'un convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique, d’où l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique. Un moteur électrique à courant continu est constitué : D'un stator qui est à l'origine de la circulation d'un flux magnétique longitudinal fixe créé soit par des enroulements satiriques (bobinage) soit par des aimants permanents à l’arrière du stator, se trouve la partie porte balais et les balais assurant les contacts électriques avec le rotor. Il est aussi appelé inducteur. D'un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité dans chaque enroulement rotorique au moins une fois par tour de façon à faire circuler un flux magnétique transversal en quadrature avec le flux statorique. Les enroulements rotoriques sont aussi appelés enroulements d'induits, ou communément induit.

Figure.1 : Schéma d’un moteur à courant continu

MCC

Page 2

La machine à courant continu est un convertisseur d'énergie, totalement réversible, elle peut fonctionner soit en moteur, convertissant de l'énergie électrique en énergie mécanique, soit en génératrice, convertissant de l'énergie mécanique en énergie électrique. Dans les deux cas un champ magnétique est nécessaire aux différentes conversions. Cette machine est donc un convertisseur électromécanique.

 L'énergie mécanique se caractérise par un couple de moment Cm ssocié à une vitesse angulaire Ω , le produit de ces deux grandeurs définit la puissance mécanique :

é

é é

MCC

è

Page 3

 L'énergie électrique est évaluée par un courant continu I et une tension continue U, la puissance électrique sera le produit de ces deux grandeurs é é

é ’

é

è

Symbole Voici les différents symboles employés pour représenter la machine à courant continu, selon qu’elle fonctionne en génératrice (dynamo) ou en moteur et selon le type d’excitation employée.

Figure 2 : Symbole du M.C.C

MCC

Page 4

Constitution d’une machine à courant continu Une machine à courant continu comprend quatre parties principales : – l’inducteur ; – l’induit ; – le collecteur ; – les balais également appelés charbon

Figure.3 : Constitution d’une machine à courant continu L'inducteur :

Il est formé soit d'aimants permanents en ferrite soit de bobines placées autour des noyaux polaires. Lorsque les bobines sont parcourues par un courant continu, elles créent un champ magnétique dans le circuit magnétique de la machine notamment dans l'entrefer, espace séparant la partie fixe et la partie mobile, où se situent les conducteurs. L'induit :

L’induit est composé d’un ensemble de bobines identiques réparties uniformément autour d’un noyau cylindrique. Il est monté sur un arbre et tourne entre les pôles de l’inducteur. L’induit constitue un ensemble de conducteurs qui coupent les lignes de champ magnétique. Les bobines sont disposées de telle façon que leurs deux côtés coupent respectivement le flux provenant d’un pôle nord et d’un pôle sud de l’inducteur. Collecteur et balais :

Le collecteur est un ensemble cylindrique de lames de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica. Le collecteur est monté sur l’arbre de la machine, mais isolé de celui-ci. Les deux fils sortant de chaque bobine de l’induit sont successivement et symétriquement soudés aux lames du collecteur, les balais portés par l’inducteur frottent sur le collecteur.

MCC

Page 5

Principe de fonctionnement Une machine à courant continu possède un nombre N de conducteurs actifs, le flux utile sous un pôle créé par l’inducteur est, exprimé en webers, et n représente la fréquence de rotation de l’arbre du rotor, en tours par seconde. Deux cas peuvent se présenter :  Soit un conducteur est à la fois traversé par un courant électrique et plongé à l’intérieur d’un champ magnétique, il est alors soumis à une force électromagnétique.  Soit un conducteur est à la fois en mouvement de rotation et plongé à l’intérieur d’un champ magnétique, il est alors le siège d’une force électromotrice

Utilisations de la machine à courant continu : La machine à courant continu est le plus souvent utilisée en moteur, en concurrence avec les moteurs synchrones et asynchrones principalement. Les critères dynamiques (démarrage, réglage de la vitesse, décrochage) ne sont plus déterminants car les progrès de l’électronique de puissance permettent de résoudre ces problèmes. Les critères de choix sont aujourd’hui le cout d’achat, de maintenance, la durée de vie, la puissance massique (en W.kg-1), le bruit… On en trouve beaucoup en automobile : démarreur, pompe à carburant, essuie-glaces, lève-vitres, ventilateur, climatiseur, toit ouvrant, etc., et dans les jouets. Un cas particulier important est celui du moteur dit « universel » : c’est un moteur à excitation série, fonctionnant en courant continu comme en courant alternatif ; il équipe beaucoup d’électroménager : aspirateurs, mixeurs, etc.…et d’outils : perceuses, scies sauteuses, etc… Son rendement est médiocre.

MCC

Page 6

MODELISATION DE LA MACHINE A COURANT CONTINU

MCC

Page 7

Modélisation de la machine à courant continu : La machine à courant continu peut être modélisée par le biais d’équations électrique, électromécanique et mécanique. Ces trois groupes d’équations nous permettrons de mieux appréhender la machine à courant continu dans son fonctionnement réel. Du coté électrique nous pouvons dire que la machine à courant continu se définit par un circuit d’induit et un circuit inducteur ; L’induit de la MCC peut être vu comme une résistance Ra et une inductance La en série avec une source de tension commandée Proportionnelle à la vitesse . Du coté mécanique, nous représentons la machine à courant continu par l’inertie de l’induit augmentée de celui de la charge entraînée.

Equations de la machine à courant continu Notons d’abord que dans notre modélisation nous allons utiliser le moteur à courant continu afin d’établir les équations et ce qui s’en suit. Du fait que, par des changements de connexions entre l’induit et l’inducteur on aboutit aux autres types de MCC (par rapport à l’excitation) et que les MCC sont éversibles, nous pourrons donc obtenir les autres modèles moyennant des modifications à partir du premier. Le schéma technologique d’une MCC est représenté sur la figure suivante :

Fig. 4 : Schéma d’un entraînement avec une MCC à excitation indépendante.

MCC

Page 8

Les signaux y intervenant sont les suivants :  La tension aux bornes de l’induit (l’indice ‘a’ correspond à Anker, c'est-à-dire induit en langue allemande) ;  le circuit électrique de l’induit, faisant apparaître :  La résistance de l’induit Ra ;  L’inductance de l’induit La ;  Une tension appelée f.e.m. (force électro-motrice), proportionnelle à la vitesse angulaire ;  Le courant traversant le circuit d’induit  Le couple électromagnétique instantané produit  L’inducteur, fixé au stator, créant un flux magnétique d’excitation ɸ f  La charge mécanique, dépendante de l’application (inertie J , frottement visqueux, élasticité de la transmission, etc.) ;

La vitesse du rotor du moteur.  Equations électriques Prenant en compte la résistance Ra et l’inductance La du circuit d’induit, du collecteur, des balais et des connexions, et en les supposant toutes deux constantes (pas de variation due à l’échauffement ni à la saturation magnétique), l’équation de tension induite s’écrit :

 Equations électromécaniques La tension induite , appelée FEM ("force électromotrice" dans l’optique de l’exploitation en générateur) est proportionnelle à la vitesse angulaire et au flux inducteur :

k est une constante dépendant de la construction de la machine. La première équation montre que s’oppose à , c’est à dire que le moteur réagit en créant une FEM MCC

Page 9

tendant à équilibrer à . Cet effet correspondra à une contreréaction bien visible dans le schéma fonctionnel du moteur. Le couple électromagnétique développé a pour expression :

 Equation mécanique Le moteur en rotation est décrit par l’équation (de la dynamique) d’équilibre suivante :

Où é é

Voilà en somme les équations régissant le fonctionnement du moteur. Mais pour mieux les exploiter, nous allons utiliser leurs transformées de Laplace.

Transformées de Laplace Les transformées de Laplace des équations sont les suivantes :

MCC

Page 10

Schémas blocs Les transformées de Laplace obtenues nous permettent de modéliser le moteur sous forme de schéma bloc ou schéma fonctionnel. Ces schémas présentent les fonctions de transfert suivant les paramètres d’entrée et de sortie considérés.  Si on considère comme grandeur d’entrée la tension appliquée aux bornes de l’induit et comme grandeur de sortie la vitesse du moteur, nous obtenons le schéma bloc tension – vitesse. Ce dernier nous permet de voir l’évolution de la vitesse avec la tension.

Fig: Schéma bloc tension-vitesse du moteur à courant continu.

 Si le courant à la sortie et gardée toujours la tension à l’entrée, on a :

Fig: Schéma bloc tension-courant du moteur à courant continu.

MCC

Page 11

Modèle Simulink de la machine à courant continu L’ensemble de ce qui précède nous permet de réaliser le modèle simulink (c’est à dire le modèle utilisé en simulation dans MatLab/Simulink) de la machine à courant continu comme suit :  La partie électrique

Fig.: Réalisation de la partie électrique de la MCC sous Simulink.  La partie mécanique

Fig.: Réalisation de la partie mécanique de la MCC sous Simulink.

MCC

Page 12

Fig.: Réalisation de la MCC sous Simulink. Dans nos simulations nous n’utiliserons pas le modèle comme présenté au schéma précédent mais en tant qu’un masque représenté par le bloc simplifié qui suit :

Fig: Bloc de la MCC sous Simulink.

MCC

Page 13

I.

Simulation d’une machine à courant continu à excitation séparée

Dam les champs de réglage de la machine, on demande de régler les paramètres suivants  les paramètres de l‘ enroulement de l'induit : Ra.=2,52 Ohm. La.=0,048 H  les paramètres de l‘enroulement d‘excitation Rf =92 Ohm, Lf =5,257 H. Laf.=0.257 H  la somme des moments d'inertie de la machine et de la charge: J=0,017(Kgm2)  le coefficient de frottement visqueux Bm=0,0000142 N.m.s:  le coefficient de frottement à sec : Tf =0,005968 Nm On effectue enfin les derniers réglages sur le schéma ci-dessus en réduisant le temps de simulation de 10 à 0.5 secondes. En alimentant l'inducteur sous 220 V, l‘induit sous 240V, et en réglant le couple résistant constant sur 10Nm. On peut maintenant passer à la simulation et à la visualisation des courbes

MCC

Page 14

vitesse de rotation Interprétations La vitesse par zéro pour se stabiliser autour de 300 tr/min qui est la vitesse en régime établi.la courbe une forme exponentielle, ce qui correspond de phénomènes transitoires dans les enroulements de la machine

Couples moteur et résistant : Interprétations Le couple résistant reste constant et fixé à 10 Nm ; le couple moteur passe du régime transitoire au régime établi pour se stabiliser autour de 10 Nm. Les deux courbes se confondent autour de l'instant 0.5 seconde, et leur intersection définit le point de fonctionnement de la machine.

Couple moteur en fonction de vitesse

MCC

Interprétations On remarque ici que 1a caractéristique mécanique est pratiquement linéaire dans sa partie uti1e : ce qui est conforme à la théorie. Cette caractéristique indique surtout que 1e moteur à courant continu est facile à commander du point de vue vitesse. Au démarrage, (à n=0) 1e moteur développe un couple qui est 1e couple de démarrage (Ici i1 est pratiquement de 65 Nm) Les caractéristiques mécaniques montrent donc que 1a vitesse est une fonction décroissante du couple démarrage (Ici i1 est pratiquement de 65 Nm) Les caractéristiques mécaniques montrent donc que 1a vitesse est une fonction décroissante du couple Page 15

II.

Simulation d’une machine à courant continu à excitation shunt

Dam cette partie, on utilise les mêmes outils que pour la simulation du moteur à excitation indépendante, sauf qu'ici la source de tension de l'inducteur est supprimée et l'inducteur est mis en parallèle sur la source de tension de l'induit suivant le modèle de la figure suivante.

L'induit est alimenté sous une tension de 240V et le couple résistant est nul. Le moteur tourne donc à vide. Cette machine à excitation shunt peut être assimilée à la machine à excitation indépendante précédente tournant à vide .En effet, la tension d'alimentation des enroulements ainsi que les paramètres intimées du moteur restent les mêmes.

MCC

Page 16

Vitesse Interprétations La vitesse augmente puis se stabilise autour de 360 tr/min. On se rend compte ici que la vitesse en régime établi est plus grande ici que pour le moteur précédent (moteur excitation indépendante). Ici, en effet, c'est le fait qu'il n'y ait pas de couple de charge et donc pas d'inertie supplémentaire qui fait tourner le moteur plus vite.

Couple moteur Interprétations Le couple moteur en régime établi est ici aussi plus petit que pour le moteur précédent (Pratiquement nul); ce qui est normal puisqu'il n'y a pas de couple de charge à vaincre ici. En réalité, le couple moteur développé n'est pas nul, un petit couple est développé par le moteur pour vaincre le couple de pertes du aux pertes par frottements dans les parties mécaniques de la machine.

Couple moteur et couple résistant Interprétations

Couple moteur et couple résistant

MCC

Page 17

III.

Si1nulation d’une machine à courant continu à excitation série

On change également les paramètres inducteur suivant Rf = 2.5819, Lf =0.028H, Laf=0.09483H, .l=2*0.02215 kg.m2 , Bm= 2*0.02953, Va=240V.

MCC

Page 18

Vitesse de rotation

Interprétations La vitesse augmente puis se stabilise en régime établi autour de 90 tr/min

Courbe de couple moteur

Interprétations On remarque sur les courbes de la vitesse et du couple, que lorsque le couple augmente, la vitesse diminue En effet, la caractéristique de magnétisation d'une machine à excitation série s'écrit : ( )

Courbe de couple moteur et résistant Puisque le couple résistant est de type gain (K*Ω). la courbe du couple résistant suit l'évolution de la courbe de la vitesse. La courbe de vitesse est croissante et se stabilise en régime permanent autour de 90 tr/mi n. La courbe de couple résistant est donc aussi croissante et se stabilise autour de 0,25*90 c'est-à-dire autour de 22.5 N.m. Quant au couple moteur, il est aussi régule par la valeur du couple résistant en régime établi. En effet lorsque le couple résistant impose un certain courant dans l’induit, le même courant traverse l'indicateur ct produit un flux proportionnel au courant, et donc un couple moteur proportionnel à l'appel de courant.

MCC

Page 19

Conclusion Ce TP nous a permis d'utiliser un laboratoire virtuel de simulation des machines à courant continus afin s'intéresser à leur étude. Les résultats obtenus dans nos laboratoires virtuels nous montrent des caractéristiques qui sont en concordance avec celles obtenues avec les modèles théoriques. Nous en concluons que le modèle réalisé est assez fiable et précis. Le logiciel MATLAB/SIMULINK, est un bon moyen d'étude du fonctionnement des machines à courant continus (et d'autres types de machines également) dans les conditions de fonctionnement voulues. ll nous permet d'observer de manière réaliste des phénomènes électriques et physiques (couple, vitesse, courant) dans et d'envisager des conditions de fonctionnement particulières.

MCC

Page 20