La variation de vitesse des moteurs courant continu

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La variation de vitesse des moteurs à courant
continu
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sommaire

• Technologie des moteurs
• Variation de vitesse
• freinage des moteurs
• Les aimants permanents

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Technologie des moteurs
rotor
Auxiliaires de commutation 1B1, 1B2, 2B1, 2B2
Bobinage Induit A1-A2
Porte balai
Inducteur F1-F2
Compensation C1-C2
Stabilisation D1-D2
collecteur
stator
Vue générale
refroidissement
4
Stator
On peut retenir 3 parties - fixation du moteur
(bride ou support de fixation) - la boite à
bornes (câblage) - la culasse
Voir catalogues constructeurs
La culasse forme la partie extérieure. Sa
fonction - Supporter tous les éléments
constitutifs d une MCC - Guider les lignes du
champ inducteur. Elle peut être constituée
d acier massif car le flux est fixe
retour
5
Inducteur
Il magnétise la machine par l intermédiaire dun
champ fixe constant ou réglable.
2 solutions sont possibles pour cela - bobine
pièce polaire (page suivante) - aimant
permanent (un chapitre lui est consacré)
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Inducteur
Le bobinage est réalisé en fil de cuivre de
section plus faible que celui de linduit
(excitation indépendante)
Linducteur peut être massif, mais le passage de
la denture de linduit provoque une pulsation de
flux dans la partie des épanouissements polaires.
Pour cette raison on réalise les pôles inducteurs
en un assemblage de tôles magnétiques (acier à
3,5 de silicium).
Avec cette solution on peut régler la vitesse
retour
7
Rotor ou induit
Il est constitué de 3 parties
8
Rotor ou induit
Le circuit magnétique
On peut retenir - tôles isolées à 3,5 de
silicium, épaisseur 0,35 mm - des pertes de 3
W/kg pour une induction de 1T
Le flux dans le CM est variable. Pour diminuer
les pertes par hystérésis et courants de Foucault
le CM est feuilleté
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Rotor ou induit
Le circuit électrique (terminologie)
1 section cest 2 faisceaux x spires
1 faisceau x brins
Lame du collecteur
Représentation d une section
Les sections sont montées dans les encoches de
l induit
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Rotor ou induit
On rencontre 2 sortes de bobinage
Représentation panoramique
Le choix des bobinages dépendra des courants et
tensions appliquées à l induit. bobinage
imbriqué forte intensité, faible
tension bobinage ondulé faible intensité, forte
tension
Yc pas au collecteur y1 pas de bobine ou
pas arrière y2 pas avant
retour
11
retour
Rotor ou induit
Collecteur
Cest lélément qui limite le plus les
performances du moteur
12
Balais et porte-balais
Lusure du balai provoque la mise en
court-circuit du collecteur (flash). Nécessité de
souffler, avec de l air comprimé, le collecteur
et les porte-balais
Un balai couvre environ la largeur de 1 lame et
demi. La pression du balai est assurée par un
ressort. La matière utilisée pour les balais est
à base de graphite. La chute de tension eB due à
un balai est denviron 0,3V à 3V.
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Sélection des balais
Charbon dur (8A/cm2). Pour appareil ménager et
moteur universel en général. Usure importante du
collecteur. Charbon électrographite (12A/cm2).
Les performances sont excellentes pour les
applications les plus diverses. Charbon
graphite (12A/cm2). Adapté aux petits moteurs à
courant continu, pour l'automobile par
exemple. Par mélange de graphite et de métal,
fritté ensemble, on obtient une meilleure
conductivité électrique et un effet lubrifiant.
Charbon graphite - cuivre (25A/cm2). Ce type
de balai est bien adapté aux faibles tensions et
la résistance à l'usure est grande. Charbon
graphite - argent (2OA/cm2). la chute de tension
aux bornes est très faible. Bien adapté pour les
tachys et les instruments de mesure.
Le choix des balais est encore aujourd'hui une
affaire d'expérience. Il est donc vivement
conseillé de suivre les indications du
constructeur en cas de remplacement de balais.
retour
14
réaction magnétique d induit RMI
Ligne neutre
1er moteur à vide seul linducteur est
alimenté. On a un champ uniforme.
2ème induit seul alimenté. On a un champ
transversal au champ inducteur. Ce champ est de
plus faible intensité. C est lui qui crée la
réaction magnétique d induit.
3ème fonctionnement moteur. On a composition
des 2 champs. Conséquence - rotation de la
ligne de neutre - renforcement des lignes de
champs sous les cornes polaires d entrée -
réduction des lignes de champs sous les cornes
polaires de sortie
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Correction de la RMI
En fonctionnement moteur la RMI entraîne une
diminution du flux inducteur donc une
augmentation de la vitesse
Par des pôles de compensation sur des machines de
puissance supérieure à 150 kW
Par des enroulements de stabilisation sur des
machines de puissance supérieure à 10 kW
Par des pôles de commutation sur des machines de
puissance supérieure à 1 kW
Ces valeurs de puissance sont indicatives car
elles varient dun constructeur à lautre suivant
les dispositions technologiques adoptées
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Pôles de compensation
Ils sont placés dans les épanouissements polaires
et sont connectés en série avec linduit.
Ils produisent un flux inverse de la RMI.
Uniquement pour les inducteurs bobinés
retour
17
Enroulement de stabilisation
Il est connecté en série avec linduit de façon à
produire un flux additif ( sur l inducteur). Il
limite les effets de la RMI.
retour
18
Pôles auxiliaires de commutation
Ils limitent la production détincelles entre le
collecteur et les balais par annulation du
courant dans la section où le courant s inverse
Ils sont câblés en série avec linduit et se
trouvent perpendiculaires à l axe de l inducteur
Pour des machines de petite puissance (1 à 10
kW), on utilise cet enroulement pour faire la
compensation de la réaction magnétique d induit
(RMI)
retour
19
Rôle des différents bobinages
? excitation ? 1 auxiliaire de
commutation ? 2 compensation
? 3 série stabilisation ? 4 réaction d induit
retour
20
Refroidissement
Les principales sources de chaleur . Elles sont
essentiellement dues aux pertes par effet joule
dans les conducteurs électriques
Dans le cas dun inducteur à aimant il ny pas de
pertes à ce niveau.
21
L évacuation des sources de chaleur se fait par
3 modes de transfert
convection naturelle forcée
conduction
rayonnement
22
sommaire
Refroidissement
Du point de vue industriel lorsquon installe une
Mcc, cest pour lutiliser associée à un variateur
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Variation de vitesse
Modèle équivalent
On ne sintéressera quà létude des Mcc à
excitation indépendante à flux constant en
application moteur.  Charge entraînante ou non. 
R  résistance du bobinage de linduit L 
inductance du bobinage de linduit E  fcem dans
l induit due au mouvement de rotation du rotor
(champ inducteur coupé par les sections de
linduit)
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Rappel des expressions 
U RI eB L dI/dt E E K x W x F C K x
I x F
Dans notre cas E et I peuvent se ramener aux
expressions suivantes E K . W C K . I
Avec K constante de machine K 2 . ? . Z . p / a
Z nombre de conducteurs dans une encoche p
nombre de paires de pôles a nombre de paires de
voies W vitesse de rotation en rad/s F flux
inducteur en Wb I courant dinduit en A eB
chute de tension aux balais (négligée)
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Simplification des expressions 
Dans un premier temps on considère que - La
chute de tension aux bornes de la résistance
reste faible. - Le courant est suffisamment lissé
pour que LdI/ dt 0.
On obtient les expressions suivantes U ? KW I
? C / K
Si on modifie U alors on modifie W. Si le couple
(charge) varie alors le courant varie.
Pour faire varier la vitesse il suffit de faire
varier la tension moyenne appliquée sur le moteur
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Caractéristiques mécaniques 
Caractéristiques à flux constant
synoptique d un moto variateur (en B.O.)
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Les grandeurs U et I sont positives ou négatives
donc les grandeurs mécaniques sont positives ou
négatives. Cela définit les quadrants de
fonctionnement mécanique et électrique.
1
2
3
4
Cest la puissance P C . W qui définit la
nature du fonctionnement.
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Structures  des variateurs
Plusieurs critères sont à prendre en compte
- nature de la source d énergie (continue ou
alternative) - 1 ou 2 sens de rotation -
charge entraînante ou non - freinage naturel ou
forcé - puissance du moteur - le moteur
fonctionne en couple ou en vitesse - etc....
La structure interne des variateurs est liées à
ces critères. On se limitera à la prise en compte
des 4 premiers critères.
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Alimentation par le réseau
Le variateur est un redresseur commandé - soit
avec un pont mixte - soit avec un pont complet.
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Alimentation par le réseau monophasé
P lt 10 kW
Double pont PD2 complet
Pont PD2 mixte
0,65 .. 9,3 kW
0,6 .. 8,6 kW
Source Schneider Électrique gamme Rectivar
31
Alimentation par le réseau triphasé
P gt 3 kW
Double pont PD3 complet
Pont PD3 complet
6 .. 1690 kW
2,7 .. 1530 kW
Source Schneider Électrique gamme Rectivar
32
avec un pont mixte
Schéma de principe

• Les I.S. sont unidirectionnels en courant (non
  réversible en couple).
• Un seul sens de rotation.
• 1 quadrant de fonctionnement (N1).
• Aucune contrainte de freinage.

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Si on veut un 2ème sens de rotation moteur
Il faut croiser les connexions sur le moteur
(inversion de polarité) à laide dun contacteur

• 2 quadrants de fonctionnement (N1 et 3).
• Les conclusions précédentes restent identiques

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Industriellement on utilise plutôt la structure
suivante.
Ce bloc assure la fonction DRL
Les zones ombrées représentent des blocs intégrés.
35
avec un pont complet
Schéma de principe

• Les I.S. sont unidirectionnels en courant (non
  réversible en couple).
• 2 sens de rotation.
• 2 quadrants de fonctionnement (N1 et 2).
• Freinage statique (quadrant N2).

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Si on veut un 2ème sens de rotation moteur
1ère solution

• Les I.S. sont unidirectionnels en courant
• 2 sens de rotation.
• 4 quadrants de fonctionnement.
• Freinage statique (quadrant N2 et 4).

Il faut croiser les connexions sur le moteur
(inversion de polarité) à l aide dun
contacteur. Solution peu retenue
industriellement. Elle ne permet pas un freinage
dynamique
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2ème solution

• Les I.S. sont unidirectionnels en courant
• 2 sens de rotation.
• 4 quadrants de fonctionnement.
• Freinage statique et dynamique (quadrant N2 et
  4).

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Industriellement le pont complet nest utilisé
que dans le cas où la récupération dénergie est
possible (levage, traction,.). De plus le
facteur de puissance dun pont mixte est
supérieur à celui dun pont complet. Le
dimensionnement des constituants sera mieux
optimisé.
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Alimentation continue
Le variateur est un hacheur de type série. Le
réseau continu provient - soit de batteries -
soit dun redresseur à diode
40
Principe du hacheur
Composant de base du hacheur - transistor
bipolaire, - transistor MOS, - transistor IGBT, -
thyristor.
Le choix dépend essentiellement de la puissance,
de la date de création.
41
Quadrant de fonctionnement
Avec ce type de hacheur on peut travailler dans
un quadrant (1) ou 2 quadrants (1 et 4) suivant
la réversibilité en courant de linterrupteur
statique et de la source.
42
2 sens de rotation
On peut utiliser un contacteur comme dans la
solution  redresseur . On préfère une structure
 pont en H  qui nous permet de fonctionner dans
les 4 quadrants.
Il faut réaliser une inversion de polarité sur
les bornes de linduit. On aura le fonctionnement
dans les quadrants 1 et 3.
43
Quadrant de fonctionnement
Pour travailler dans les 4 quadrants il est
nécessaire que les I.S. et que la source soient
réversibles en courant.
sommaire
44
Freinage du moteur à courant continu
45

• Dans le cas où il est nécessaire de ralentir la
  charge il y a plusieurs solutions pour dissiper
  lénergie cinétique emmagasinée par le rotor et
  la charge
• - Freinage mécanique (non abordé dans ce
  chapitre)
• Utilisation dun module de freinage (résistance
  électrique) dans lequel vient débiter la Mcc.
• Renvoi de lénergie dans la source.

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Point de fonctionnement
Passage du quadrant 1 vers 2 sur une variation de
couple brutale (la vitesse ne peut pas varier
instantanément.)
2 cas peuvent se présenter
Passage du quadrant 1 vers 4 lors dune inversion
de vitesse. (Le couple ne peut pas varier
instantanément)
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Redresseur commandé avec un pont mixte
Aucune possibilité de freinage par le variateur
rajout d un module de freinage
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Redresseur commandé avec un pont complet
Ce convertisseur nous permet de travailler dans
les quadrants 1 et 2. Il est donc possible
davoir un freinage par inversion de la tension
(renvoi de lénergie sur le réseau).
Par contre la réversibilité en courant nest pas
possible. Une solution consiste à rajouter un
module de freinage. On a alors un freinage
possible dans les quadrants 2 et 4.
49
Hacheur avec un interrupteur statique
Le freinage peut se faire sans modification de la
structure si linterrupteur statique et la source
sont réversibles en courant.
Il faut alors surveiller la tension aux bornes de
la source afin quelle ne devienne pas trop
importante (tenue des composants en tension).
Dans le cas dune impossibilité de la
réversibilité de la source on rajoute un module
de freinage
50
Hacheur avec un pont en H

• Le freinage peut se faire sans modification de la
  structure à condition que 
• les interrupteurs statiques soient réversibles en
  courant.
• La source dalimentation soit réversible en
  courant.
• Dans le cas dune non réversibilité de la source,
  ce qui est souvent le cas du point vue
  industriel, et que par ailleurs on désire un
  freinage rapide, il faut rajouter un module de
  freinage aux bornes de la source.

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Exemple
Sur un équipement de levage le moteur doit
fournir le profil de vitesse et de couple suivant
A
B
C
D
E
F
52
On peut en déduire la nature de la
réversibilité statique et dynamique du
moteur. Cela permet de faire le choix du
moto-variateur
sommaire
53
Les aimants permanents
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On les retrouve dans toutes sortes d applications
Électrotechnique moteur, soufflage
d arc,.. Électronique haut-parleur, tube TV,
.. Mesure débitmètre, capteur vibration,
Divers crochets de porte, aimants souples,
..
Un article publié par la société ARELEC dans la
revue Technologie N93 de janv/fév 1998 permet
d avoir une idée des nombreuses applications
possibles
55
Interprétation par la théorie des domaines de
Weïss
A l intérieur dun domaine (10-9 cm3) tous les
moments magnétiques sont orientés dans le même
sens
En présence d une excitation magnétique H le
comportement sera différent suivant les
matériaux.
56
Égaux et parallèle 2 à 2 opposés
Les domaines restent orientés de façon quelconque
Matériau amagnétique (faiblement magnétique)
Matériau anti ferromagnétique (ex le chrome)
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Inégaux et parallèle 2 à 2 opposés
Les domaines sorientent tous dans le même sens.
Matériau ferrimagnétique (ex les
ferrites) formule générale X Fe2 O4 avec X Co
Ni Cu Zn
Matériau ferromagnétique (ex fer)
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Cycle d hystérésis
Les constructeurs fournissent une grandeur
supplémentaire importante pour le dimensionnement
des CM qui est l énergie spécifique.
- Hc champ coercitif
Un aimant est un générateur. On caractérise les
aimants à partir du quadrant 2. On l appelle la
courbe de désaimantation.
- Br induction rémanente
- BHmax énergie spécifique (facteur de
qualité)
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Les aimants actuellement disponibles

• Ils se retrouvent sous 3 formes 
• les alnico (aluminium, nickel, cobalt)
• les ferrites (obtention par frittage à chaud)
• les composées métaux-terres rares (Sm-Co et
  Nd-Fe-B)

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Caractéristique des aimants
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Attention à la température. Si le point de Curie
est dépassé, les matériaux magnétiques perdent
leur qualité. Ils ne retrouvent pas forcément
leur propriété après refroidissement .
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Démontage dun moteur
Que se passe-t-il lorsquon retire le rotor dun
moteur ?
Afin de simplifier, imaginons le circuit
magnétique suivant
À partir du théorème dAmpère on démontre que
Cest la caractéristique externe du CM
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Point de fonctionnement du CM
C. externe (pente D1)
La pente de la droite de recul est la tangente en
Br
C. interne
Si le champ H varie, on décrit des  mini 
cycles d hystérésis très étroit. Cest le lieu
de déplacement du point P.
On peut le confondre avec une droite quon
appelle la droite de recul
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On ajoute un entrefer (retrait du rotor)
Pente D1 lt pente D2
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Nouveau point de fonctionnement du CM
C. externe (pente D2)
Si le champ H varie, on décrit des  mini 
cycles d hystérésis très étroit autour de la
droite de recul (déplacement de p).
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On referme lentrefer (remise en place du rotor)
Le point de fonctionnement du CM sera en P. H
et B seront inférieurs aux valeurs avant
démontage.
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Tant que la caractéristique interne est confondue
avec la droite de recul il n y aura pas de perte
d aimantation. Il ne faut pas aller au-delà des
coudes de désaimantation.
Remarque la droite de recul et la C. externe du
Sm Co sont confondues.
68
sommaire
Montage des aimants
Alnico ce sont des aimants fondus et aimantés
en place. Ils sont très cassants. Les formes
peuvent être diverses. Utilisé dans des petites
puissances
Ferrites et terres rares ce sont des aimants
obtenus par frittage dans des formes simples. Ils
sont difficiles à usiner et sont souvent associés
à des pièces polaires pour canaliser le flux
magnétique. Généralement les ferrites sont
utilisés dans les petites puissances (lt 1 kW)
mais ce sont celles qui ont le plus
d applications diverses. Leur support peut être
souple ou rigide. Ils sont pour la plupart du
temps  anisotrope .
69
FIN
Bibliographie aimants permanents - extraits du
 guide des aimants  publié par la société
ARELEC paru dans les revues Technologie N92, 93
et 94. - Technique de l ingénieur volume D2 I
génie électrique
Jean-François Ansoud Lycée du Val de Saône
01606 Trévoux
70
Anisotrope qualifie un corps (ou un milieu)
dont les propriétés varient selon une direction
privilégiée dans lespace.
Isotrope qualifie un corps (ou un milieu) dont
les propriétés sont identiques quelque soit
la direction dans lespace.
retour