Commande Des MCC [PDF]

Zitiervorschau

Chapitre I Réglage de la vitesse des machines à courant continu

Chapitre : I III.1

Réglage de la vitesse des machines à courant continu

Introduction : Les moteurs à courant continu ont des caractéristiques variables et sont employés

intensivement dans des entrainements à vitesse variable. Ces moteurs peuvent fournir un couple de démarrage élevé, La méthode de contrôle de vitesse est simple et moins chère que les machine à courant alternatif. Le moteur à courant continu a longtemps été considéré comme le moteur le mieux adapté au fonctionnement à vitesse variable, et il est préféré pour les applications à très grande vitesse, mais son système collecteur-balais rendre ce moteur fragile, il nécessite plus d’entretien et est mal adapté aux conditions d’ambiance hostile. III.2

Caractéristique de base des moteurs à courant continu :

Figure. III. 1: Schéma électrique équivalent d’un MCC à excitation séparée. Les équations électriques de l’inducteur et l’induit s’écrit : (III. 1)

𝑈 =𝑅 𝐼 +𝐿 𝑈 =𝑅 𝐼 +𝐿

(III. 2)

+𝐸

Tel que E est la force contre-électromotrice (f.c.e.m) crée par l’induit du moteur : 𝐸=

(III. 3)

∙ 𝛺 ∙ 𝜙 (𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠) Avec : p: Nombre de pair de pôles de l’inducteur ; a : Nombre de pair de voies de l’enroulement d’induit ; N: Nombre total de brins actifs de l’induit ; 𝜙 : Flux utile par pôle (Weber) ; Ω: Vitesse de rotation (rd/s) ;

2

Chapitre : I Le facteur

Réglage de la vitesse des machines à courant continu est constant. Posons :

= 𝑘; il vient : (III. 4)

𝐸 =𝑘∙𝛺∙𝜙

La relation entre le courant d’excitation et 𝜙 et donc la f.e.m est non linéaire à cause de la saturation magnétique (figure.III.2).

Figure. III. 2: La relation entre le courant d’excitation et 𝜙 Si on travaille dans la parte linéaire, où le 𝜙 est proportionnelle au courant d’excitation 𝐼 , donc :

(III. 5)

𝐸 =𝑘 ∙𝛺∙𝐼 L’expression du couple électromagnétique est donnée par la relation : 𝐶

=𝑘∙𝜙∙𝐼

(III. 6)

= 𝑘 𝐼𝐼

Dans le régime permanent, les dérivations par rapport au temps est nulles ; et les équations électriques de l’inducteur et l’induit deviennent : (III. 7)

𝑈 =𝑅 𝐼 𝑈 =𝑅 𝐼 +𝐸 =

(III. 8)

𝑅 𝐼 +𝑘 ∙𝛺∙𝐼

A partir de l’équation électrique de l’induit on tire la vitesse angulaire de moteur à excitation séparée : 𝛺= 𝛺= 𝛺=

(III. 9)

∙

(III. 10)

∙

(III. 11)

∙

En explorant ces relations, il apparait clairement trois possibilités pour le réglage de la vitesse:  Action sur 𝑼𝒂 (réglage par la tension d’induit)  .Action sur 𝝓 (réglage par le flux) ;  Action sur 𝑹𝒂 (réglage rhéostatique) ; 3

Chapitre : I III.3

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Variation de vitesse :

III.3.1 réglage par la tension d’induit : L’excitation étant maintenue constante à sa valeur nominale donc le flux est constant, la vitesse peut être variée d’une valeur nulle à la valeur nominale en variant la tension d’alimentation de l’induit 𝑈 de 0 à la valeur nominale. Dans cette zone, le moteur peut fournir le couple nominale 𝐶 quel que soit la vitesse sans échauffement anormal alors que la puissance P augmente avec la vitesse jusqu'à ce que la tension et la vitesse atteignent leurs valeurs nominales : c’est la zone de fonctionnement à couple constant (figure. III.3). La majorité des applications industrielles fonctionnent dans ce régime.

Figure. III. 3:fonctionnement à couple constant et à puissance constante III.3.1.1

La caractéristique mécanique de réglage par la tension d’induit :

On à 𝛺=

∙

⇒𝐼 =

∙ ∙

(III. 12)

On remplace l’expression de courant 𝐼 dans le couple : 𝐶

=𝑘∙𝜙∙𝐼 = 𝑘∙𝜙∙

∙ ∙

(III. 13)

4

Chapitre : I 𝐶

=

∙

Réglage de la vitesse des machines à courant continu 𝑈 −

( ∙ )

(III. 14)

𝛺

La figure III.4 représente la caractéristique mécanique 𝐶

= 𝑓(Ω) à flux constant et à

tension 𝑈 constante

Figure. III. 4:la caractéristique mécanique En vertu des relations : 𝐶

=𝐾∙𝐼

𝛺=

 

(III. 15)

-

Pour 𝐶

-

Pour Ω = 0 on a 𝐼 =

= 0, 𝐼 = 0 ⇒ Ω = ⇒𝐶

. Lorsqu’on réduit la tension Ua, la vitesse diminue. =𝐾∙

La caractéristique mécanique dans le cas de réglage par la tension d’induit est illustrée dans la figure III.5

Figure. III. 5:la caractéristique mécanique de réglage par la tension d’induit.  La caractéristique mécanique se déplace parallèlement à elle-même.  Le couple max est maintenu. Ce mode de réglage est excellent du point de vue technique car les caractéristiques ne sont pas déformées, d’autre part du point de vue économique, aucune énergie n’est gaspillée et le rendement demeure élevé. 5

Chapitre : I

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III.3.2 Réglage par le flux d’excitation : Lorsque le moteur atteint sa vitesse nominale, on peut encoure accroître sa vitesse en diminuant le flux inducteur. En effet, la vitesse varie de façon inversement proportionnelle au flux d’excitation. Ce fonctionnement est appelé fonctionnement en désexcitation. Dans cette plage de vitesse, la tension d’alimentation 𝑈 étant constante, la machine ne peut plus fournir le couple nominal car le flux étant graduellement réduit, mais la puissance que peut fournir l’induit du moteur, sans dépasser le courant nominal est constante, on dit que le moteur fonctionne à puissance constante. Ce régime de fonctionnement ne couvre environ que 5% des applications des entrainements électrique.

La caractéristique mécanique de réglage par le flux d’excitation:(𝐔𝐚 = 𝐔𝐚𝐧)

III.3.2.1

On a les relations suivantes : 𝛺= 𝐶

∙

 

(III. 16)

=𝑘∙𝜙∙𝐼 -

Pour 𝐶

= 0, 𝐼 = 0 ⇒ Ω =

∙

. Lorsqu’on réduit la valeur de Ф, la vitesse

augmente -

Pour Ω = 0 ona 𝐼 =

⇒𝐶

=𝑘∙𝜙∙

. Lorsqu’on réduit la valeur de Ф, le couple

diminue.

Figure. III. 6:la caractéristique mécanique de réglage par le flux d’excitation. Ce réglage est mauvais du point de vue technique ; les caractéristiques étant concourantes.

6

Chapitre : I

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Il est bon du point de vue économique car la puissance dissipée dans l’inducteur étant très faible par rapport à la puissance absorbée ; le rendement du moteur ne sera pas modifié. Toutefois, il y’a lieu de faire les remarques suivantes :  On ne peut pas augmenter le flux 𝜙 au-delà de 𝜙 à cause de la saturation  Si on diminuer le flux 𝜙 la vitesse va augmenter, mais on a un problème de défluxage. III.3.3 Réglage rhéostatique La tension et le flux étant fixés à leur valeur nominale, la résistance de l’induit peut augmenter par l’addition d’un rhéostat (Rh) branché en série. Ce moyen de contrôle est utilisé pour diminuer la vitesse à partir de sa vitesse nominale. Ce contrôle à un effet indésirable car il y a une dissipation d’énergie. III.3.3.1

La caractéristique mécanique de réglage rhéostatique

On a en paramétriques les relations suivantes : 𝐶 𝛺= -

=𝐾∙𝐼 (

)

Pour 𝐶

 

(III. 17)

= 0;𝐼 =0⇒Ω =

correspondant est immuable.

𝑈𝑎 𝐾

Cette vitesse ne dépend pas𝑅 , donc le point

⇒ 𝐶𝑒𝑚 = 𝐾̀

-

Pour Ω = 0 ; 𝐼 =

-

diminue. On obtient un faisceau de droites concourantes

Lorsqu’on augmente Rh, le couple C

Figure. III. 7: la caractéristique mécanique de réglage rhéostatique. Ce réglage est mauvais à la fois sur le plan technique et sur le plan économique. En effet, du point de vue technique, les caractéristiques étant concourantes, celles-ci, deviennent de plus en plus « série », c'est-à-dire qu’avec une résistance insérée, la chute de vitesse augmente avec la charge. Techniquement un bon réglage doit entrainer un déplacement des caractéristiques parallèlement à la caractéristique d’origine. De plus, ce réglage est mauvais 7

Chapitre : I

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du point de vue économique car la consommation d’énergie dans le rhéostat est d’autant plus importante que la chute de vitesse réclamée est plus élevée. C’est ainsi qu’à la demi-vitesse, on consomme autant d’énergie dans le rhéostat que dans le moteur. Dans la pratique, ce procédé de réglage n’est utilisé que pour le démarrage ou le freinage. III.4

Les différents convertisseurs utilisés pour la variation de vitesse des moteurs à courant continu :

La variation de vitesse des machines à courant continu s’effectue le plus souvent, par la variation de tension d’induit, complétée. Eventuellement. Par la variation de la tension d’excitation. Donc la commande exige la présence d’une source de tension continue réglable. Pour obtenir une tension continue variable, il existe 2 possibilités : - Partir d'une tension alternative sinusoïdale et utiliser un redresseur - Partir d'une tension continue fixe et utiliser un hacheur Le choix du convertisseur et son environnement est effectué à partir de considérations sur : La réversibilité, la source, la puissance à fournir, les perturbations électromagnétiques, et bien sûr, de critères économiques. Montages réversibles, on entend un entrainement permettant une inversion rapide du sens de rotation. Le variateur doit pouvoir assurer le fonctionnement dans les quatre quadrants (figure.III.8). • Quadrant 1 : marche en moteur dans le sens direct. • Quadrant 2 : marche en générateur (récupération) dans le sens direct. • Quadrant 3 : marche en moteur dans le sens inverse. • Quadrant 4 : marche en récupération dans le sens inverse

Figure. III. 8: Fonctionnement dans les quatre quadrants de la machine à courant continu

8

Chapitre : I

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III.4.1 Variateurs à redresseurs : Ce sont les plus répandus dans les applications industrielles puisqu’ils partent directement de la tension du réseau (avec ou sans transformateur). Ils sont monophasés ou triphasés selon la puissance du moteur. III.4.1.1

Les redresseurs monophasés :

Le circuit d’induit du moteur à courant continu est connecté à la sortie de redresseur monophasé. La tension d’induit peut varier par la variation d’angle d’amorçage 𝛼 . A un petit angle d’amorçage, le courant d’induit peut être discontinu, et cela augmente les pertes dans le moteur. Une inductance de lissage 𝐿

est connectée en série avec l’induit minimise

l’ondulation à une grandeur acceptable. Le convertisseur est aussi utilisé dans le circuit d’inducteur pour contrôler le courant d’excitation par la variation d’angle d’amorçage 𝛼 (figure.III.9)

Figure. III. 9: redresseurs monophasés pour contrôler les moteurs à courant continu A)- Les redresseurs monophasés à simple alternance : L’induit de moteur à courant continu est alimenté par un redresseur à simple alternance. Le courant 𝐼

est toujours discontinu pour cela on insère une très grande

inductance avec le circuit d’induit. La diode de roue libre est en parallèle du moteur, donc le moteur est entrainé dans le quadrant « q1 ». L’utilisation de cette méthode est limitée à une puissance de

kW.

Figure. III. 10: un redresseur monophasé à simple alternance pour commander un moteur à courant continu excité séparément. 9

Chapitre : I

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L’utilisation d’un redresseur à simple alternance dans le circuit d’inducteur (d’excitation) augmente les pertes magnétiques du moteur dû au continu élevé d’ondulation de courant d’excitation. Avec un redresseur à simple alternance dans le circuit d’induit, la tension d’induit donné par : 𝑉 =

(1 + cos 𝛼 ) pour 0 < 𝛼 < 𝜋

(III. 18)

Tel que 𝑉 est la tension AC maximale. B)- Les redresseurs monophasés PD2 : La figure.III.11(a) montre le circuit d'un convertisseur redresseur monophasé (PD2) alimentant un moteur à courant continu excité séparément. Les circuits d'induit et d’excitation sont alimentés par une alimentation AC monophasée par l'intermédiaire de redresseur PD2.

a)Digramme de circuit

b)La forme d’onde de tension et courant

Figure. III. 11: Un redresseur monophasé commandé le moteur CC. La tension d’induit et d’inducteur sont donné par : 𝑉 = 𝑉 =

cos 𝛼 cos 𝛼

pour 0 < 𝛼 < 𝜋

(III. 19)

pour 0 < 𝛼

(III. 20)

90° Fonctionnement en générateur 10

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La tension d’induit (ou inducteur) est variée par un convertisseur PD2. La machine est entrainée dans deux quadrants (q1 et q4), C)- Les redresseurs monophasés PD2 mixe : un redresseur monophasé mixe pour commandé le moteur CC est illustré à la figure.III.12 (a). Les formes d'onde de Va, Ia sont représentées sur la figure.III.12 (b).

a)Digramme de circuit

b)La forme d’onde de tension et courant

Figure. III. 12: Un redresseur monophasé mixe commandé le moteur CC. La machine est entrainée dans le quadrant q1. L’alimentation de machine à courant continu par un pont PD2 mixe est limite pour des applications jusqu’à 15kW. Le convertisseur dans le circuit d’inducteur devrait être mixe aussi. La tension d’induit et d’inducteur sont donné par : 𝑉 = 𝑉 =

(1 + cos 𝛼 )

pour 0 < 𝛼 < 𝜋

(1 + cos 𝛼 ) pour 0 < 𝛼