Machine à courant continu

Généralités



La machine à CC est un convertisseur d’énergie, totalement réversible.

Fonctionnement en moteur ou générateur.


Fonctionnement en moteur :


Fonctionnement en générateur :




On dit que la machine à Courant Continu est un CONVERTISSEUR ELECTROMECANIQUE

On peut résumer le fonctionnement de la MCC de la façon suivante:


Énergie fournie

Fonctionnement

Énergie utile

Électrique

Moteur

Mécanique

Mécanique

Générateur

Électrique


Structure de la MCC


Fonctionnement en moteur :




Fonctionnement en générateur :




Principe de fonctionnement





Pour mettre en jeu les principes physiques: loi de Laplace et loi de Lenz, il est nécessaire de créer un champ magnétique constant et d’induction radiale.

Deux moyens peuvent être utilisés:




Constitution de la MCC


La MCC est constituée de deux parties principales:


Le Stator



C’est la partie de la machine qui est le siège de l’induction magnétique;

Champ magnétique constant, d’où absence de f.e.m induite et de naissance de courants de Foucault;

Le feuilletage du stator n’est pas nécessaire.

Si le champ est créé par un aimant, on parle de stator à aimant permanent;

Si le champ est créé par une bobine électrique, elle est dite : bobine d’excitation, inducteur, bobine d’induction, circuit de champ,etc.



Stator à aimant permanent



- Avantages: Pertes joules supprimées;

- Inconvénients: en industrie, le coût de l’aimant limite son utilisation

- Limites: le champ magnétique est fixe, impossibilité d’exploiter sa variation.


Stator à enroulement et pièces polaires



La variation de l’excitation peut rendre possible la variation de la vitesse de la machine.



Le stator constitue, donc, le circuit magnétique permettant de canaliser le flux produit par les enroulements inducteurs supportés par les pôles principaux, de façon à ce qu’il englobe le maximum de conducteurs de la partie mobile.


Le Rotor



Dans l’espace laissé vide entre les pôles de l’inducteur, est placé un cylindre en acier doux, monté sur des roulements et portant des fils conducteurs (brins) longitudinaux.



Le cylindre rotorique étant ferromagnétique, il permet de canaliser les lignes d’induction.

A la sortie du pôle Nord et à l’entrée du pôle Sud les lignes d’induction empruntent dans l’entrefer le chemin le moins réluctant. C’est-à-dire la ligne droite en suivant le rayon.

L’induction magnétique au niveau des brins est donc radiale.



Le rotor étant en mouvement, sera donc, contrairement au stator, le siège de courants induits de Foucault et de phénomène d’hystérésis, il doit être feuilleté pour minimiser leurs effets.




Remarque:

Lors de la rotation de l’induit, les lignes de champs qui ont tendance à se concentrer dans les dents (réluctance minimale = entrefer minimal), se déplacent autour d’une position moyenne: papillotement.




D’où la nécessité de feuilleter les épanouissements polaires.




Dans une machine industrielle, le conducteur est enroulé sur un rotor cylindrique en fer de rayon R et de longueur L, pour former une spire mise en rotation autour de l’axe à la pulsation .

Structure d’une machine industrielle


Principe de fonctionnement


La f.e.m est donc proportionnelle au flux sous un pôle et à la vitesse de rotation du rotor.




Le passage de la spire sous le flux maximal, =   p/2 [kp], correspond à une f.e.m nulle. Cet endroit porte le nom de ligne neutre.

Sur le plan théorique, cette étude montre le lien entre l’amplitude de la f.e.m et les grandeurs dont elle dépend.

Sur le plan technologique, on en tire deux conséquences:

La tension est disponible aux bornes d’une spire mobile, mais le besoin apparaît sur la partie fixe. Il faut donc trouver un moyen d’effectuer le transfert par contacts glissants.

La f.e.m est alternativement positive et négative, il faut la rendre unidirectionnelle.

Pour assurer ces deux fonctions, on relie électriquement les extrémités d’une spire à deux lames en cuivre appelée: Collecteur.


Pour prélever la f.e.m sur la partie fixe, deux balais en graphite liés au stator frottent sur les lames.



Enroulement de l’induit

Réalisation



L’enroulement d’une machine est complexe et varie d’un type à l’autre.

Pour comprendre le principe de réalisation des enroulements de l’induit, on choisit un induit avec huit encoches contenant chacun un conducteur.

Pour que les f.e.m induites s’additionnent toujours, quelque soit la position de l’induit, il faudrait ne réunir entre eux que les conducteurs diamétralement opposés.

C’est évidemment impossible dès qu’il y a plus de deux encoches.

On réunit donc des conducteurs presque diamétralement opposés.

Les f.e.m s’additionneront alors pendant la plus grande partie d’un tour complet.



Le conducteur 1 est réuni à l’arrière au conducteur 2’;

Le 2’ au 3 par une liaison avant;

Le 3 au 4’ par une liaison arrière;

Le 4’ au 1’ par une liaison avant;

etc…

Séquence:

1-2’ar-3av-4’ar-

1’av-2ar-3’av-4ar-1av

Le conducteur est fermé sur lui-même.

Les portions de fils logées dans les encoches sont les conducteurs actifs. Ils sont donc le siège de f.e.m induites.

Les liaisons, avant et arrière, sont les conducteurs inactifs, elles ne sont le siège d’aucune f.e.m, mais seront traversées par le courant induit.

Autre mode de représentation: développement panoramique


La surface latérale de l’induit est développée après coupure entre les conducteurs 1 et 4’.



Les liaisons arrières se trouvent en haut;

Les liaisons avant se trouvent en bas.

Les quatre lames du collecteur, I, II, III et IV se trouvent en bas;

Les lettres a, b et c correspondent aux coupures.

Les deux seules lames du collecteur dont les forces électromotrices sont de même sens sont la II et la IV.

Si la f.e.m d’un conducteur est e, la f.e.m entre les lames II et IV est 4e.

Pour aller d’un balai à l’autre, deux parcours sont possibles: il y a deux voies d’enroulement.

Chacune de ces voies comporte le même nombre de conducteurs identiquement répartis le long de la périphérie de l’induit.

Les deux voies d’enroulement, électriquement en parallèle, donneront la même force électromotrice.

Imaginons que l’induit ait tourné d’un quart de tour.

Les conducteurs 1 et 2 prendront la place des 3 et 4 et ainsi de suit.

Chaque lame du collecteur prendra la place de la lame suivante;

Situation particulière:

Les conducteurs 3 et 4 ont traversé la ligne neutre;

Ils ont changé de voie d’enroulement;

Leur force électromotrice a changé de sens.

Le courant aussi.

Lorsqu’un conducteur change de voie d’enroulement, le courant qui le traverse s’inverse, on dit que le conducteur commute et le phénomène correspondant s’appelle commutation.



Réaction d’induit



Il y a distorsion des lignes de champ dans le sens de la rotation du rotor, et les variations de l’induction sont importantes.

Certaines parties de l’épanouissement polaire sont saturées, d’autres sont démagnétisées.

Il y a mauvaise répartition de la f.e.m entre les lames, d’où risque d’apparition d’arc électrique.

La f.e.m diminue.



Pour remédier à ce problème, un enroulement compensateur est situé dans des encoches de l’épanouissement polaire.



Cet enroulement est traversé par le courant d’induit dont la circulation compense, à toute charge la réaction d’induit.


Commutation



La section d’enroulement reliée aux lames 4 et 5 du collecteur voie son courant s’inverser rapidement entre les phases 1 et 3.



Lorsque la lame quitte le balai, il y a apparition d’un arc électrique (ouverture d’un circuit inductif).

Cet arc doit s’éteindre avant que la lame 5 ne quitte elle-même le balai, sous peine de s’étendre progressivement à toutes les lames du collecteur : court-circuit.

Pour corriger ce problème, il faut neutraliser la f.e.m de commutation, et ce en choisissant l’une des deux méthodes suivantes:

- décalage des balais de leur position calée sur la ligne neutre;


Redressement de la tension

Principe


Expression du couple

Cas d’une spire



Évolution

Enroulement au lieu de spire



Lors de son déplacement dans le champ d’induction, une spire a été soumise à une f.e.m induite.

Mais le niveau de tension n’est pas suffisant pour un usage industriel: d’où la nécessité de multiplier la f.e.m par association de plusieurs spires en série.


Augmentation de la tension d’induit

Pour élever la tension, deux moyens sont possibles:

- augmenter la f.e.m induite par spire grâce à des spires plus longues;

- augmenter les sources inductrices grâce à davantage de paires de pôles.



Répartition des variations du flux: machine multipolaire



Pour augmenter la f.e.m, il faut :

- répéter les changements de pôles;

- augmenter le nombre de paires de pôles

2, 3 ou 4 (voire même plus);


Représentation développée des f.e.m



Chaque conducteur est représenté par une f.e.m;

Les f.e.m sont interconnectées en série;

Les voies d’enroulement apparaissent par paires: une paire par paire de balais;

Chaque paire de voies d’enroulement est placée en parallèle avec les autres;

Le tout aboutit à la connexion de sortie.



Expression de la f.e.m totale



Soit une machine à CC possédant N conducteur régulièrement répartis sur le rotor;

La f.e.m totale est produite par les N/2 conducteur en série (voie d’enroulement);

On peut dire que la f.e.m résulte de la moitié du flux sous un pôle;

Soit:



est la vitesse de rotation;

dest une ouverture angulaire.


Cas d’une machine bipolaire



Les conducteurs sont régulièrement espacés;

Sur l’ouverture angulaire d, le nombre de conducteurs est:


En conséquence, si la f.e.m développée par un conducteur est e, la f.e.m développée par les dN conducteurs est:


Par sommation sous un pôle, pour


Le flux :


La f.e.m :


La f.e.m est donc proportionnelle au nombre de conducteurs N, au flux sous un pôle (weber) et à la vitesse de rotation (rad/s).


Cas d’une machine multipolaire et multivoies d’enroulements



L’augmentation de paires de pôles diminue le pas polaire;

Dans le cas d’une machine multipolaire, 2p pôles, les conducteurs développeront chacun une f.e.m dans une fraction de tour;

La f.e.m résultante est 2p fois plus importante;

Les conducteurs organisés en voies d’enroulements (a paires de voies) sont mis en parallèle;

La f.e.m résultante est divisée par 2a;

D’où l’expression généralisée de la f.e.m développée par une machine multipolaire et multivoies d’enroulements:



La f.e.m dépend donc:

des paramètres de construction, purement technologiques (p, a, N);

du paramètre de fonctionnement interne, flux sous un pôle ;

Du paramètre de fonctionnement externe, vitesse de rotation.


Expression condensée de la f.e.m

KE est la constante de f.e.m de la machine CC



Expression du couple électromagnétique

Cas d’une machine multipolaire et multivoies d’enroulements



Chaque conducteur est le siège d’un effort créant un couple sur l’arbre. Leur somme génère le couple électromagnétique Cem.

D’après la loi de Laplace, le couple dépend du flux sous un pôle, du courant total I et du nombre de conducteur.

Le nombre de pôles augmente la répétition des phénomènes, donc du couple;

La mise en parallèle des conducteurs dans des voies d’enroulements y diminue le courant, donc le couple.




Expression condensée du couple:

KC est la constante de couple de la machine à CC

On constate que : KC = KE


Symbole électrique de la machine à CC



- L’enroulement d’excitation est alimenté en courant;

- Possibilité de réglage du flux.




- L’induction est fixée par la construction;

- Aucun réglage n’est possible;



Conversion d’énergie

Lien électromécanique



La puissance électrique développée par une machine de f.e.m E et de courant d’induit I est:

Pe = E.I

Sur le plan mécanique:

Pm = Cem.

Dans le cas d’une machine parfaite, le transfert d’énergie est total.

On a donc:

Pe = Pm

E.I = Cem.

La machine CC est donc un convertisseur d’énergie transformant à tout instant une puissance électrique en puissance mécanique et inversement.



Fonctionnement en moteur:


La machine absorbe une puissance (Pe>0) électrique pour fournir une puissance mécanique (Pm<0);

Le transfert s’opère du réseau vers la charge mécanique au travers de la machine CC.




Fonctionnement en génératrice:


La machine fournit une puissance électrique (Pe<0) qui provient de la puissance mécanique (Pm>0).

Le transfert s’opère de la charge mécanique vers le réseau au travers de la machine CC.


Bilan des puissances dans le cas d’une machine réelle:


Remarque: Pertes ne tenant pas compte de l’inducteur.


Fonctionnement dans les quatre cadrans:



La machine à CC peut fonctionner soit en moteur dans les deux sens de rotation;

Soit en génératrice dans les deux sens de rotation;

On parle du fonctionnement dans les quatre cadrans.

On représente la tension en fonction du courant (ou inversement), du point de vue électrique;

Ou bien on représente la couple en fonction de la vitesse (ou inversement), du point de vue mécanique.