Présentation MàCC 2014

Les principes de la machine à courant continu 





Constitution  Principe  Technologie Principe de fonctionnement Commutation

Par : Pr. E. BENDADA Année Universitaire : 2013-14

Schémas des Machines à Courant continu

Présentation de la machine à courant continu Vue d’ensemble

Machines à courant alternatif

Machines électriques

Exemple : synchrone et asynchrone

Machines à courant continu

Machine à courant continu = convertisseur d’énergie

Moteur Énergie Mécanique

Énergie électrique

Générateur

Présentation de la machine à courant continu La machine comporte deux parties principales : - une partie fixe : Stator - une partie mobile : Rotor

le STATOR qui porte l’inducteur le ROTOR qui porte l’induit

Rotor

Stator

1. l’inducteur L’inducteur est la partie fixe de la machine, son rôle est de créer un champ magnétique dans l’espace. Noyau polaire Bobine

.. .. ..

Autour desquels se trouvent les bobines inductrices, ils sont en acier coulé

Entrefer Culasse

Pièce polaire

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.

2. l’induit L’induit est la partie tournante de la machine, pour lequel on distingue les éléments:

2.1. Armature Elle est faite de tôles en fer doux et montée sur un arbre. Elle reçoit l'ensemble des conducteurs qui coupent le flux magnétique. Un certain nombre de conducteurs, regroupés en spires, forment une bobine. L‘armature de l’induit renferme plusieurs bobines placées dans des encoches.

2.2. Collecteur Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica. Ces lames sont montées sur l'arbre de la machine, mais isolées de ce dernier.

2.3. Balais Les balais, ou frotteurs, sont fixes et appuient sur le collecteur pour assurer la transmission de l'énergie entre la machine et le circuit extérieur. Ils sont maintenus par des porte-balais dans lesquels des ressorts viennent maintenir une pression

Induit bobiné 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 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.

Les bobines de l’induit sont logées dans des encoches fermées par des cales. 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.

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 réusinage périodiques. De plus, il accroît de 20 à 30% la longueur totale de la machine.

Principe de Fonctionnement des Machines à courant continu Un conducteur traversé par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force dont le sens est déterminé par la règle des trois doigts de la main droite.

   F  IL  B

+

I

Fe N N

S Ce = Fe

-

 F xr e

Ligne neutre

1

4’

2 3’

N

3 2’ 1’

4

S

B

+

B

4’ 1 2

3’ 2’

3 1’

B’

-

4’

1

3’ 2’

2 3

t

4

1’

4

B’

B

+

B

3’ 4’ 1

2’ 1’

2 4

B’

-

3’

4’

2’ 1’

1 2

t+t

3

4

3

B’

B

+

B

2’ 3’ 4’

1’ 4

1 3

B’

-

2’

3’

1’ 4

4’ 1

t+2t

2

3

2

B’

B

+

B

1’ 2’ 3’

4 3

4’ 2

B’

-

1’

2’

4 3

3’ 4’

t+3t

1

2

1

B’

B

+

B

4 1’ 2’

3 2

3’ 1

B’

-

4

1’

3 2

2’ 3’

t+4t

4’

1

4’

B’

B

+

B

3 4 1’

2 1

2’ 4’

B’

-

3

4

2 1

1’ 2’

t+5t

3’

4’

3’

B’

2

B

4 1’ 2’ 3’ 4’

1 2 3

+

B

4 3’ 2 1’

B’

Connexions à l’avant du rotor

Connexions à l’arrière du rotor

1

4’

2

3’

N

t

- B’

4’

1 2’ 3 4’

1 2

3’

3

2’ 1’

4

S

N

3

2’ 1’

4

S

Répartition du flux Lignes neutre

Machine bipolaire

Machine tétrapolaire

Ligne neutre : C’est la ligne au niveau de laquelle s’inverse la polarité du champ magnétique.

•

Répartition du flux inducteur pour le cas d’une machine bipolaire :

 m ax 2



 m ax 2

FEM induite entre balais Le flux traversant une spire est :

() 

La f.e.m induite dans cette spire est :

 m ax f ( ) 2

e

 d max ' d  .f ().   max .f ' (). dt 2 dt 2

Pour un groupe élémentaire de spires de nombre dn situé entre un angle dθ, nous avons la relation:

dn  La f.e.m induite est:

n d 2

e

n max ' .f ()..d 2 2

La f.e.m totale E est la somme des f.e.m produites dans toutes les spires de l’induit. Donc en intégrant de θ=/2 à θ=3./2 3 2

E

  2



n  m ax ' n  m ax  3   n  m ax n .f ()..d   . f ( )  f ( ) .   . 2 .  . m ax. 2 2 2 2  2 2  2 2 2

Généralisation de l’expression de la FEM induite entre balais Si la machine possède 2p pôles et 2a voies:

E

2.p.n p.n .max.  .max. 2.a.2 a.2

E  K.max.

E

p n.N .max a

Conclusion: la f.e.m de la machine à CC dépend: • Des paramètres de construction de la machine représenté par le coefficient K

• de la vitesse de rotation Ω • de l’excitation représenté par le flux max

L’ensemble des conducteurs parcourus par un courant pour aller d’un balai à un autre constitue une voie d’enroulement.

La réaction magnétique de l'induit

Le flux magnétique est créé par le courant inducteur. Le courant de l’induit crée lui aussi un flux magnétique. Ce flux d’induit perturbateur est appelé « réaction magnétique de l’induit ». Cette réaction magnétique de l’induit est néfaste : 1. Elle décale la ligne neutre de façon variable avec l’intensité du courant d’induit 2. Elle augmente les problèmes liés à la commutation (étincelles et usure prématurés des balaiscollecteurs) 3. Elle crée une chute de tension supplémentaire à l’induit en charge. 4. Solution: Cette réaction magnétique d’induit est annulée (compensée) par des enroulements supplémentaires à l’inducteur de la machine, parcourue par le courant d’induit et appelés « enroulements de compensation)

inducteur

M à C C à aimants permanents : l’inducteur est réalisé avec des aimants permanents. Moteur de faible puissance ( jusqu'à 1 kW ) très utilisé en robotique.

inducteur

inducteur bobiné ( alimenté)

M

M

induit

induit