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L2EEAMachinesElectriques:EDEAF4HM
L2EEA
2016-2017
Neermalsing Sewraj ([email protected])
Laboratoire LAPLACE
Responsable Matière : N. Sewraj / D. Buso
Responsable TP : N. Sewraj
Programme
• 9 h Cours, 9 h TD, 12h TP – 3 ECTS • 1/ Machine à Courant Continu : Régime statique.
• 2/ Transformateur Monophasé. Points de fonctionnement sur charge résistive.
• 3/ Alternateur sur charge résistive.
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Moteur à courant continu (piles)
Petits outils, appareils électroportatifs sans fil
Moteur à courant continu (batterie, réseau continu)
Traction (train, automobile)
Moteur universel (secteur)
Petit et moyen électroménager (perceuse, aspirateur, machine à laver)
Moteur asynchrone (bi- ou tri-phasés)
Machines outils (ascenseurs, nettoyeurs haute pression, pompes)
Moteur synchrone (triphasé)
Machines outils (nettoyeurs haute pression, pompes)
Moteur pas à pas (commande électronique)
Mécanique de précision (imprimante, lecteur CD, servomoteur)
Moteursélectriques:Applica7ons
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Chapitre 1 :
Machine à Courant Continu Part 1
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PlanduChapitre1
1. Généralités
2. Principesphysiques
3. Descrip7ondelaMCC
4. Modèleélectrique
5. Bilandepuissance
6. Pointsessen7els
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1.Généralités1-1:Machineélectrique=machineréversibleMoteur:énergieélectriqueàénergiemécanique ex.:pompe,ascenseur,machineàlaver,perceuse,…
Générateur:énergiemécaniqueàénergieélectrique ex.:alternateurvoiture,génératricecentraleélectrique,…
à CoursuniquementsurlaMachineàCourantCon7nu(MCC)à MCCu7liséeenTP
Exemplesdemachinesélectriques(àinducCon):GénérateuretMoteur
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1Généralités
1-2:Transferténergé7que:unemachineélectriquepeutfonc7onnerenmoteurougénérateurenfonc7ondel’applica7onoudelaphasedefonc7onnement.
pertes=Pabs–Pu
η=Pu/Pabs
MACHINE
pertes
Puissanceabs.(Pabs) Puissanceu7le(Pu)Mécanique
Fournieparunmoteurouuneturbine
ElectriqueDisponibleauxborne
dubobinage
ElectriqueFournieparlasource
électrique
MécaniqueDisponiblesurl’arbre
dumoteur
Générateur Moteurou
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1Généralités
La machine à courant continu est totalement réversible
Elle peut fonctionner indifféremment en moteur ou en génératrice
énergieélectrique MOTEUR
énergiemécanique
énergieélectrique
énergiemécanique GENERATRICE
OU Induit (I)
Inducteur (J)
Pertes Electriques et Mécanique
Pertes Electriques et Mécanique
ηMot = PM
PEI + PEJ
Inducteur (J)
Induit en rotation (Ω)
ηGén= PEI
PM + PEJ
Induit (I)
Induit en rotation
Statique Statique
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2.Principesphysiques
2.1-Fluxmagné7queetforceélectromotriceinduite
θ:angleentrelechampBetlanormaledSàlasurface
SpiredecourantdesurfaceS
B dS
θ(t)
Axe de rotation
ϕ(t) = B × S × cos θ(t)[ ]
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2.Principesphysiques
Forceélectromotriceinduite: e(t) = − dϕdt
Conversion mécanique/électrique: fonctionnement générateur 10
2.Principesphysiques2.2–ForcedeLaplace
BlidFd
×=
Fd
Fd
B B
courant courant courant
B
0
=Fd
règle des 3 doigts de la main droite : courant – champ - force
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2.PrincipesphysiquesConversion électrique/mécanique: fonctionnement moteur
courant Impossible d'afficher l'image. Votre
Impossible d'afficher l'image. Votre ordin
Fd
Fd
courant
0
=Fd
0
=Fd
N S
Lecoupleestmaximumpourθ=0°(Leplandelaspireestalorsalignéaveclechampinducteur(B) 12
3.Descrip7ondelaMCC
3.1Cons7tu7ond’uneMCCUneMCCestcons7tuéede3par7esprincipales:• inducteur
• induit
• disposi7fcollecteur/balais
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3.Descrip7ondelaMCC
14
2.&MCC&en&foncDonnement&générateur&
d)&Eléments&de&base&d’une&MCC&Il!y!a!deux!bobinages!pour!4!fonc1ons.!
Stator!:!par1e!fixe!!Rotor!:!par1e!mobile!(rota1on)!!Inducteur!:!produit!le!champ!magné1que!«!principal!»!!Induit!:!bobinage!où!apparaît!la!f.é.m.!!
3.2Rôledescons7tuantsdelamachine
3.Descrip7ondelaMCC
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2.&MCC&en&foncDonnement&générateur&
3.3Vueencoupedelamachine
3.Descrip7ondelaMCC
3.3Inducteur(oucircuitd’excita7on)C’estunaimantouélectroaimantIlestsituésurlapar7efixedelamachine(stator)etsertàcréerunchampmagné7que(champ«inducteur»)danslerotor.
L’inducteurestfixeetsonchampmagné8queestcon8nu.Lerotortournedanslechampmagné8quedel’inducteur.
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3.4InduitL’induitestsituéaurotor(par7etournantedelamachine).C’estunbobinage(ensembledespiresoucadres)parcouruparuncourantcon7nuI(courantd’induit).
3.Descrip7ondelaMCC
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3.5Cadreac7fUnespireestcons7tuéededeuxbrinsd’induitensérie(sommedesf.é.m).Lesspiressontconnectéesensérie(pouraugmenterlaf.é.m.induiteEv),puisplusieursdecesensemblessériessontgroupésenparallèle(pouraugmenterlecourantd’induitI).L’induitestcons7tuédeplusieurscadresenrectangulairesavecdesbrinsdiamétralementopposés.Lesdeuxboutsdechaquecadresontsoudésàdeuxlamesmétalliquesdiamétralementopposéessuruncylindre(lecollecteur)enboutdel’arbre.Seullecadrealignéaveclechampinducteurestconnectéàl’extérieurvialetandemcollecteur/balais.C’estlecadreac7f,tandisquelesautrescadresnefontriendurantcelapsedetemps.
Quandlerotortourne,c’estunvoisinquidevientlenouveauseulcadreac7f.
3.Descrip7ondelaMCC
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3.6LecollecteuretlesbalaisLecollecteur estunensemblede lamesdecuivrediamétralementopposéesoùsontreliéeslesextrémitésdubobinagedel’induit.Lesbalais(oucharbons)sontFIXESetsituésàl’extérieur.Ilsfro[entsur le collecteur en rota7on perme[ant de connecter un organerota7fdelamachineàunorganefixeexterne.Le disposi7f collecteur/balais permet ainsi la circula7on d’uncourant dans l’induit (fonc7onnement en moteur) ou de récolterune f.e.m. (fonc7onnement générateur). Connecté seulement aucadreac7filpermetd’avoirlaf.é.moulecouplemaximum.
balais
3.Descrip7ondelaMCC
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3.MCCenfonc7onnementmoteur
Seul le cadre acCf aligné avec lechampinducteur,etparcouruparle courant I, subit la force deLaplace.
3.7–Fonc7onnementenmoteur:àappletMoteur
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3.Descrip7ondelaMCC3.8–Fonc7onnementengénérateur:
àappletGénérateur
Deuxbaguesàforceélectromotricee(t)sinusoïdale(maxpourϑ=0°)Principedel’alternateur
Deuxdemi-baguesàe(t)sinusoïdaleredressée(maxpourϑ=0°)
AugmentaCondunbdecadres+Collecteuràe(t)conCnue àEV=KΩ.Ω 21
4.ModèleélectriquedelaMCC
4.1Modélisa7ond’uneMCCengénérateur(aimantpermanent)
EV
r
Modélisa7onSchémaélectriqueéquivalent
U
I
RC
H
MCC en CSG CH : CSR
U = EV − rIavecEV = KΩ ×Ω
U
Schémadeprincipeoufonc7onnel
M
I Induit
Ω
Cr 22
RC
H
Régime permanent : Cm = Cr è Ω cste
Cm Turbine externe
4.ModèleélectriquedelaMCC
4.2Modélisa7onMCCenmoteur(aimantpermanent)
EV
r
Modélisa7onSchémaélectriqueéquivalent
I
U
MCC en CSR Source : CSG
U = EV + rIavecEV = KΩ ×Ω
U
Schémadeprincipeoufonc7onnel
M
I Induit
Ω
Cm 23
U
Régime permanent : Cm = Cr è Ω cste
CrCharge méca : Pompe ou Géné Elect …
5Bilandepuissance
5.1Fonc7onnementmoteur(Inducteuràaimantprmanent)
P0=C0Ω
ConversionÉlectromagné7que
parfaite
EV=U-rIPem=EVIPem=CemΩ
PJR=rI2
P’abs=UI
EV:f.é.m.induitePem:Puissanceélectromagné7smeCem:coupleélectromagné7que
Puissanceu7le
Pu=CuΩ
η =Putile
P 'absorbée=CU ⋅ΩUI
pFer
pméca
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C0=CFS+µ Ω
CFS:coupledepertesdefro[ementsec(solide/solide)µ:coefficientdefro[ementvisqueux(ven7la7on)
PertesJoulePJR=rI2
PertesCollec7ves(Méca&Fer)P0=C0Ω
5.Bilandepuissance5.2Expressionsu7les(Inducteuràaimantpermanent)
P’abs=UI
BoîteNoire
Pem=EVI=CemΩEV=KΩΩCem=KΩI
LespuissancesPem:Puissanceélectromagné7quePem=Cem*ΩPu:Puissanceu7le=Pem–P0PJR:PertesJouleP0:Pertescollec7ves
Pem=Pabs-PJR
Pu7le=CuΩ<P’abs
LescouplesCem:coupleélectromagné7queCu:coupleu7leC0:coupledepertescollec7vesCu=Cem–C0
€
Ω =EV
KΩ
=U − RIKΩ
Vitessederota7on25
5Bilandepuissance5.3Moteurcoupléàungénérateur:maqueaedeTP(Inducteursàaimantpermanent)
Pem:Puissanceélectromagné7smeCem:coupleélectromagné7que
MachineA MachineB
P0M=C0MΩ
EVM=UM-rMIMPemM=EVMIMPemM=CemMΩ
PJRM=rMIM2
P’absM=UMIM
PuM=CuMΩ=P’absG=CmGΩ
Moteur(M) Génératrice(G)
PuG=UGIG
P0G=C0GΩPJRG=rGIG2
PemG=CemGΩPemG=EVGIG
EVG=UG+rGIG
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€
Pabsorbée =UI = Ppertes+ Putile
Type de pertes
effet Joule Pertes ferro-magnétiques
pertes mécaniques
Cause
résistance inducteur
hystérésis, courants de Foucault
frottements
Remède
Refroidisse-ment par ventilation
matériaux (Fe,Si) feuilletage
roulements, lubrifiants
5.Bilandepuissance
5.4LespertesdansuneMCCàaimantpermanent
€
U = EV + RI
€
EV = KΩΩ
à Variation de vitesse possible en faisant varier la tension d’alimentation de l’induit U
à Résistance d’induit R faible donc Ω ≈ U/KΩ ≈ cste€
Ω =EV
KΩ
=U − RIKΩ
Ω
0€
Ω0
6.Varia7ondevitesse
6.1Vitessed’uneMCC(aimantpermanent)
- Inducteur fixe (stator) alimenté en continu : toute la puissance de l’inducteur est perdue (effet Joule)
- Inducteur à aimant permanent : Plus simple - Rôle de l’inducteur
- Machine réversible : Bon candidat pour la motorisation de voitures dites « écologiques »
- Schéma équivalent en continu : Ev en série avec Rinduit - Schéma de principe - Savoir faire un bilan de puissance - Mesure et calcul des paramètres du modèle (Partie II) - Calculs de points de fonctionnement (Partie II) - Calcul du rendement (autour de 60 % pour un moteur)
- Induit (rotor) connecté à l’extérieur lorsque son cadre (actif) est aligné avec le champ magnétique de l’inducteur
- Collecteur + Balais - Rôle de l’induit et du tandem collecteur/ballais
7.Pointsessen7els
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