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Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Étude de

Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Étude de la MACHINE A COURANT CONTINU Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Plan de la présentation Introduction Constitution d’une MCC Le Stator Le Collecteur Le Rotor Modèles et caractéristiques d’une MCC Caractéristique Couple / Vitesse Réglage de la vitesse d’une MCC Détermination expérimentale des paramètres Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Introduction AGIR Énergie Mécanique Énergie Électrique CHAINE D’ENERGIE / INFORMATION Convertisseur Électromécanique ACTIONNEUR Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Introduction Les différents actionneurs électriques : MAS = Machine Asynchrone MS = Machine Synchrone MCC = Machine à Courant continu Les MCC ne sont plus utilisées en forte puissance, mais persistent en faible puissance (qqs W à qqs kW). Elles sont remplacées par des machines à courant alternatif (MAS ou MS). Application de la MCC : TGV Paris Sud-Est Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Introduction Son étude est importante, car sa commande est aisée et facile, et, les commandes modernes des machines à courant alternatif, tentent de s’approcher de celle d’une MCC. Pourquoi alors l’étudier ? En effet, on a pour une MCC : Ω proportionnelle à U I proportionnel au couple Γ La majorité des actionneurs électriques sont aujourd’hui utilisés à vitesse variable, en asservissement de vitesse, de position ou de couple. Donc, la MCC s’adapte très bien à ces fonctionnements. Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution Les différents constituants : Stator ou Inducteur : Partie fixe Rotor ou Induit : Partie mobile Entrefer : Espace séparant le stator et le rotor Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution LE STATOR ou INDUCTEUR Rôle : Créer un champ magnétique fixe dans l’espace. Méthode : Bobinage parcouru par un courant continu iex ou par des aimants permanents. Le bobinage est placé sur un circuit magnétique feuilleté. Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution LE STATOR ou INDUCTEUR Photographie stator bobiné. Pôles principaux Pôles de compensation Circuit magnétique feuilleté Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution LE ROTOR ou INDUIT C’est le lieu de la conversion électromécanique. Des conducteurs traversés par un courant I sont placés dans des encoches. Ces conducteurs traversés par un courant I sont soumis au champ magnétique Bex créé par l’inducteur, et donc soumis à une force de LAPLACE : . F I dl B   u r u u r u r Le rotor est composé d’un circuit magnétique feuilleté, où sont placées des encoches recevant les conducteurs d’induit. Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution LE ROTOR ou INDUIT Animation Afin d’obtenir un couple moyen non nul, il est nécessaire d’inverser périodiquement le courant dans les conducteurs d’induit. Le courant fourni par la source d’alimentation reste continu et constant. C’est un des rôles du système balais-collecteur. Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution LE COLLECTEUR Rôle : Permettre l’alimentation de l’induit (partie tournante) depuis l’extérieur et inverser périodiquement le courant dans les conducteurs . Méthode : Les conducteurs de l’induit sont raccordés à un mécanisme solidaire de l’induit où viennent frotter des balais. Lames du collecteur Balais en graphite Ressorts de compression Fil d’alimentation d’induit Conducteurs d’induit Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution LE COLLECTEUR Le système balais collecteur fonctionne comme un ONDULEUR DE COURANT. I I I=0 I=0 I I 1 2 3 Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution Calcul de la force contre électromotrice induite aux bornes d’une spire : Lorsqu’un conducteur est soumis à un champ magnétique, il apparaît une fcem à ces bornes, telle que : d e dt   Avec Φ le flux embrasse par la bobine, tel que : . ex B dS  u u u r u u r Or, Bex est constant, donc :   .2. . sin ex z B R L   θ dS u u r Bex R Longueur = profondeur = Lz Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution Si cette spire tourne à la vitesse angulaire Ω, on a : t  Dans ces conditions, la fcem s’exprime par :   2. . . . .cos ex z d e B R L t dt      Calcul de la force contre électromotrice induite suite : Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution Étude du fonctionnement du système balais collecteur : Considérons une MCC à 2 spires : eAB Pour - 4 4 3 Pour 4 4 3 5 Pour 4 4 5 7 Pour 4 4 AB CD AB CD u e u e u e u e                             Le système balais collecteur fonctionne comme un redresseur de fcem. Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution Ce fonctionnement se généralise pour N spires et plusieurs dizaines de lames composant le collecteur. 2 . . . . . . 2 ex ex p p E N N a a      La fcem vue du stator est donc composée de portions de sinusoïdes. En raison d’un grand nombres de lames sur le collecteur, la fcem vue du stator se résume à sa valeur maximale, soit : En réalité, le rotor d’une MCC possède 2a voies d’enroulement et p paires de pôles, donc, la fcem s’exprime par : 2. . . . . . . ex z ex E N B R L N     La fcem E est donc proportionnelle au flux créé par l’inducteur et à la vitesse angulaire. . . . ( ). ex ex E k k i      Dans le cas d’une MCC à aimants permanents, est constant, donc : ( ) ex i  . E K   Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution Lorsqu’un courant I circule dans l’induit, il a pour conséquence de créer un champ magnétique Bind appelé champ de réaction magnétique d’induit. Ce champ de réaction d’induit à pour conséquence de faire chuter le flux embrassé par les spires. On a donc : . ( , ). ex E k i I    Pour compenser cette chute de flux, dans les machines de moyennes et de fortes puissances, des pôles de compensation magnétique sont placés entre les pôles inducteurs. REACTION MAGNETIQUE D’INDUIT Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Constitution Machine à courant continu compensée : Une machine à courant continu est dite compensée, si le courant d’induit n’a pas d’effet sur la fcem. On a donc : ( 0) ( 0) ( , ) ( ) . ( ). ex ex I I ex i I i E E k i          C’est une hypothèse que l’on fait pour chaque étude. Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Expression du couple électromagnétique : L’expression du couple peut être obtenue par un bilan de puissance en fonctionnement MOTEUR. Pabs Pji Pbalais Pfer Pmeca Pu Pe L’expression du rendement d’une MCC en fonctionnement MOTEUR s’exprime par : . . ² u u abs u balais fer meca P P RI U I P P        Modèles de la MCC Appelée aussi pertes collectives = UI = RI² = ΓuΩ Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 Modèles de la MCC En convention MOTEUR et pour une MCC à excitation indépendante, le modèle électrique est de la forme : En régime permanent, on néglige les effets des inductances L et Lex. Dans tous les cas, on néglige la chute de tension due aux balais (de l’ordre du volt comparativement à U≈centaines de volts) b U Cela revient à considérer les courants iex et I constants. Les actionneurs électriques Sébastien GERGADIER Lycée Richelieu TSI 1 La puissance électromagnétique s’exprime donc par : ² ² ² . e abs ji e P P P UI RI EI RI RI EI          Or : . ( ). ex E k i    Donc : . ( ). e ex k i I   Le couple électromagnétique est donc proportionnel au flux créé par l’inducteur et au courant d’induit. Dans le cas d’une MCC à aimants permanents, ou lorsque le courant d’excitation est constant, est constant, donc : ( ) ex i  . e K I  En convention moteur, on a : balais U E RI U    La puissance absorbée par la MCC vaut donc : 2 abs balais P UI EI RI U I     Modèles de la MCC Les actionneurs électriques Sébastien uploads/Finance/ machine-a-courant-continu.pdf