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Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu La machine

Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu La machine à courant continu : Notions de base 1. Constitution et fonctionnement de la machine à courant continu La machine à courant continu est constituée principalement de deux parties, figure (1.1) : - une partie fixe appelée inducteur. Parcouru par un courant continu d’excitation, cet inducteur a pour rôle de produire le flux magnétique, - une partie tournante appelée induit. L’induit est constitué d’un bobinage traversé par le courant d’alimentation. Les deux brins de chacune des spires de ce bobinage, placé dans le champ magnétique B  produit par l’inducteur, sont soumis à deux forces de Laplace F  1 et F  2 telle que F F I L B       1 2 , figure (1.2). Ces deux forces forment un couple de force qui s’exprime pour une spire par la relation suivante : em C r L B I S B I I         2 Figure (1.1) Vue encochée d’une machine à courant continu inducteur induit collecteur Cours de commande de machines BEN SALAH Boujemâa Page MCC-1 Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu Pour l’ensemble N des spires du bobinage de l’induit, le couple électromagnétique qui se développe, dépend aussi du nombre de paires de pôles (P) de l’inducteur ainsi que du nombre de voies d’enroulement (a) de l’induit. Il s’exprime alors par la relation : em p C N I K I a          avec p K N a   avec : p : nombre de paires de pôles, a : nombre de paires de voies d’enroulement de l’induit, N : nombre des conducteurs actifs de l’induit, φ : flux utile sous un pôle. 2. Fonctionnement en régime permanent 2.1 Modèle équivalent En régime permanent, l’induit de la machine à courant continu est équivalent à l’association en série d’une résistance Ra et d ‘une force contre électromotrice E , figure (1.3). Dans ce mode d’entraînement en régime établi, le fonctionnement de la machine à courant continu à excitation indépendante est régi par les relations suivantes : Ua = E + RIa E = KφΩ Cem = KφIa → B → B → I → 1 F → I → 2 F L Figure (1.2) Création du couple par l’action de l’induction sur le courant de l’induit Ua Ra Ia E Ue Re Le Ie Figure (1.3) Schéma équivalent à de la MCC en régime permanent Cours de commande de machines BEN SALAH Boujemâa Page MCC-2 Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu Les quatre grandeurs qui déterminent le fonctionnement du moteur sont alors : Ua, Ia , Ω et φ. 2.2. Vitesse de rotation La vitesse de rotation est exprimée par : E = kφΩ = Ua − RaIa ⇒ φ − = Ω k I R U a a a avec Cependant, le sens de la rotation dépend du sens du flux, donc du sens du courant d’excitation Ie et du sens du courant Ia dans l’induit. 2.3. Démarrage du moteur Juste au moment du démarrage, la vitesse de rotation est nulle, la pointe du courant de démarrage direct appelée par l’induit est donc : a add a U I R  La résistance de l’induit est d’autant plus faible que la puissance du moteur est grande. Elle est souvent de quelques fractions d’Ohm. Donc sous tension nominale, l’intensité du courant de démarrage direct atteint des valeurs intolérables. Cette pointe considérable de courant va provoquer la détérioration de l’induit par échauffement excessif. Il faut donc limiter ce courant de démarrage direct. En générale, les constructeurs autorisent un courant de démarrage admissible de 1,5 In. Pour limiter le courant de démarrage direct, deux solutions sont utilisées : Solution 1 : on utilise un rhéostat de démarrage D R . Dans de tel cas, le courant de démarrage se limite à a ad a D U I (R R )   . Bien qu’efficace, cette solution est peu économique. Solution 2 : on démarre sous une tension d’alimentation réduite. 2.4. Bilan énergétique En adoptant les notations suivantes : Pa : la puissance absorbée en watts (W) ; Ue : la tension de l’inducteur en volts (V) ; Ie : le courant d’inducteur en ampères (A); Pem : la puissance électromagnétique en watts (W) ; Pu : la puissance utile en watts en (W); pje : les pertes joules à l’inducteur en watts (W); pja : les pertes joules à l’induit en watts (W); pf : les pertes ferromagnétiques en watts (W) ; pmec : les pertes mécaniques en watts (W) ; Cours de commande de machines BEN SALAH Boujemâa Page MCC-3 Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu E : la f.c.é.m. en volts (V); Ia : le courant d’induit en ampères (A) ; Cem : le couple électromagnétique en Newton mètre (Nm) ; Cu : le couple utile en Newton mètre (Nm) ; Ω : la vitesse angulaire de rotation en radians/secondes (rad/s) ; Ra : la résistance d’induit en Ohms (Ω) ; Re : la résistance d’inducteur en Ohms (Ω). Il vient : u u P C    a a a e e P U I U I     em a em P E I C      2 je e e e P U I r . I    2 ja a a P R . I  u a je ja f mec u P P ( p p p p ) C         Le bilan énergétique qui illustre le fonctionnement de la machine à courant continu est donné par la figure (1.4) : Les pertes fer (pf) et les pertes mécaniques (pmec) sont rarement dissociées, la somme étant les pertes constantes Pc. la puissance utile s’exprime alors par : u a je ja c u P P ( p p p ) C        Toute l’énergie absorbée à l’inducteur et dissipée par effet joule. On peut alors omettre l’inducteur dans le bilan des puissances et alors Pje n’apparaît pas et Pa=Ua.Ia. Si le moteur est à aimants permanents, Ue, Ie et Pje n’existent pas. u u P C    a a a P U I   em a em P E I C      2 a a ja I . R P = 2 e e e je I . r I U P = ⋅ = f P mec P Figure (1.4 ) Bilan énergétique du moteur à excitation indépendante Cours de commande de machines BEN SALAH Boujemâa Page MCC-4 Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu 2.5. Point de fonctionnement en charge Une charge oppose au moteur un couple résistant Cr. Pour que le moteur puisse entraîner cette charge, il doit fournir un couple utile Cu de telle sorte que : Cu = Cr. Cette relation détermine le point du groupe moteur-charge, figure (1.5). 3. Réversibilité de la machine a courant continu La machine à courant continu est naturellement réversible. Elle fonctionne en moteur si la puissance convertie est positive et en génératrice si cette grandeur est négative. Dans le cas d’un moteur à courant continu, à excitation indépendante, alimenté sous tension variable, ce dernier se prête bien au fonctionnement dans les quatre quadrants du plan (couple C, Vitesse Ω), figure (1.6). Le passage d’un quadrant au suivant peut être montré par le cycle de la figure (1.7) rencontré souvent en traction électrique ou en robotique. M Point de fonctionnement en charge Caractéristique du couple résistant Cr Caractéristique du couple utile Cu couples vitesse Figure (1.5) Point de fonctionnement en charge F Ω F Ω F Ω F Ω Moteur Ω >0 frein Ω >0 Moteur Ω <0 frein Ω <0 C Ω I IV II III Figure (1.6) Réversibilité de la machine à courant continu Cours de commande de machines BEN SALAH Boujemâa Page MCC-5 Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu C'est ainsi que, selon les besoins, la commande de la machine à courant continu peut être en tension ou en courant, réversible ou non réversible. Le pilotage de ces systèmes de commande peut être à base d’une logique câblée ou d’une logique programmée. Ω>0 C>0 γ=0 Ω>0 C<0 γ<0 Ω<0 C<0 γ<0 Ω<0 C<0 γ=0 Ω<0 C>0 γ>0 Ω<0 C>0 γ>0 moteur frein frein moteur moteur moteur I II III III I IV vitesse Figure (I.7) Fonctionnement dans les quatre quadrants t Inom -IMax -Inom IMax courant t Cours de commande de machines BEN SALAH Boujemâa Page MCC-6 Chapitre I : Techniques de commande de la machine à courant continu Entraînement à Vitesse Variable des Machines à Courant Continu 1. Principe L’expression a a U R I uploads/Industriel/ chap-2-techniques-de-commande-a-vitesse-variable-des-mcc.pdf