Mémoire-finale-Mcc - un mémoire complet sur Une machine à courant continu avec simulation avec matlab PDF

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Faculté des Sciences et de la TechnologieDépartement de la TechnologieProjet de fin d'étude en vue de l'obtention du diplôme licenceen électrotechniqueRéalisés par : Encadré par : Promotion 2016/Etude d’un Moteur àCourant continu etSimulationJe dédie ce modeste travail à : Ma très chère mère. Mon tr...

Description

Faculté des Sciences et de la Technologie Département de la Technologie Projet de fin d'étude en vue de l'obtention du diplôme licence en électrotechnique

Etude d’un Moteur à Courant continu et Simulation

Réalisés par :

Encadré par :

*

Promotion 2016/2017

Je dédie ce modeste travail à : * Ma très chère mère. * Mon très cher père. * Mes sœurs et mes frères * toutes mes familles * * Mon binôme * Tous mes amis.

* Toute la promotion 2016/2017

Je dédie ce modeste travail à : * Ma très chère mère. * Mon très cher père. * Mes sœurs et mes frères

Bounedja edja edjar r * toutes mes familles Boun * Mon binôme * Tous mes amis.

* Toute la promotion 2016/2017

Résumé

L’évolution des technologies conduit à utiliser des machines nécessitant des vitesses de rotation précises et variables pour l’entrainement de TGV par exemple L’avantage principal des moteurs à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse , leur couple et leur sens de rotation ainsi que leur raccordement direct à une source d’énergie (batteries d’accumulateur piles ,etc. ) malgré leur principal problème qui se pose au niveau de la liaison entre les balais ou ‘charbons’ et le collecteur rotatif . le moteur à courant continu d’exister à travers de nombreuses applications . Dans ce travaille, on présente plusieurs cas que soit étude du moteur à courant continu, et enfin la simulation de systèmes électromécanique logiciel de simulation MATLAB

Abstract

The evolution of technologies leads to use machines requiring precise and variable speeds for the TGV drive for example. The main advantage of DC machines lies in their easy adaptation to ways to adjust or vary their speed, torque and direction of rotation as well as their direct connection to a power source (accumulator, batteries, etc.) Despite their major problem at the connection between the brushes, or "coal" and the rotary collector, the DC motor continues to exist across many applications. In this work, we present several cases whether study of DC motor , and finally the simulation of our model on MATLAB simulation Systèmes électromécanique.

Sommaire Introduction générale …………………………………………………………………… ...01 Chapitre 01 : Généralité sur le moteur à courant continue 1-1Introduction…………………………………………………………………………… …02 1-2description du moteur a courant continue……………………………………… ……….03 1-2-1 l’induit (rotor) ……………………………………………………………………… 04 1-2-2 inducteur (stator)…………………………………………………………………….…04 1-2-3 collecteur et balais …………………………………………………………………… . 05 1-3 symbole du moteur à courant continue…………………………………………………...06 1-4 principe de fonctionnement et modèle équivalent de l’induit……………………...……06 1-5 équation de grandeur de moteur à courant continue …………………………… .………07 1-5-1 couple utile de moteur…………………………………………………………………. 07 1 5-2 Force électromotrice (f.e.m.)…………………………………………………………. 07 1-6 les déférents types de moteur à courant continue………………………………………...08 1.6.1. Les moteurs à inducteur à aimant permanent…………………………………………..08 I.6.2. Les moteurs à inducteur bobiné………………………………………………………. . 08 1.6.2.1 le moteur à excitation séparée…………………………………………………… ...... 09 1.6.2.2 le moteur à excitation série………………………………………………………….. 11 1.6.2.3 le moteur à excitation shunt………………………………………………………….12 1.6.2.4 le moteur à excitation composée………………………………………………….….12 1-7choix d’un moteur à vitesse variable ………………………………………….…………. 12 1-8 Avantages et inconvénients……………………………………………………..……..…13 1-9 Bilan de la puissance ……………………………………………………………………. 14 1-10Le rendement………………………………………………………………………….. .. 14 Conclusion………………………………………………………………………………….. .. 15 Chapitre 02 : simulation d’un moteur à courant continue 1-2 Introduction…………………………………………………………………………….. .. 16 2.2 -Principe ............................................................................................................................. 17 2.3- Matériel utilisé ………………………………………………………...………………...17 2.4- simulation d’une machine à courant continu à excitation séparée ………………………18 2.4.1 vitesse de rotation……………………………………………………………………….19 2.4.2 -Couple moteur………………………………………………………………………....20 2.4.3- L’intensité de Courant ………………………………………………………………. . 21 2.4.4- Caractéristique électromécanique ……………………………………………………. 22 2.5- Conclusion……………………………………………………………………………… 23 Conclusion Générale ……………………………………………………………………… . 24

Liste des figures Figure 1.1 :

Moteur à courant continu

02

Figure 1.2 :

mode de fonctionnement de la MCC

03

Figure 1.3 :

constitution d’un moteur à courant continu.

03

Figure 1.4 :

vue du moteur à courant continu.

04

Figure 1.5 :

induit (rotor) de moteur à courant continu

04

Figure 1.6 :

inducteur de moteur à court continu.

04

Figure 1.7 :

collecteur et balais d’une machine à courant continu

Figure 1.8 :

principe du collecteur d’une machine à courant continu

05 05

Figure 1.9 :

schéma d’une machine à courant continu.

05

Figure 1.10 :

Moteur à aimant permanent

08

Figure 1.11 :

type d'excitation d’un moteur à courant continu

09

Figure 1.12 :

Caractéristiques d’un moteur à excitation séparée

10

Figure 1.13 :

Le couple en fonction de courant d’alimentation

10

Figure 1.14 :

Caractéristique de vitesse d’un moteur série

11

Figure 1.15 :

Caractéristique de couple d’un moteur série

12

Figure 1.16 :

Bilan de la puissance

14

Figure 2.1 :

DC Machine à MATLAB

18

Figure 2.2 :

montage d’une machine à courant continue à excitation séparée

19

Figure 2.3 :

Courbe de vitesse en fonction de temps

20

Figure 2.4 :

Courbe de couple en fonction de temps.

22

Figure 2.5 :

Courbe de courant en fonction de temps.

22

Figure 2.6 :

Courbe de vitesse en fonction de couple.

23

Liste des symboles

n: le nombre de conducteur de l’induit. I: le courant total à l’induit. 2a: le nombre de voie en parallèles de l’induit .c’est-à-dire nombre de circuits. N: la vitesse de l’induit en tours par seconde. PE: la puissance électromagnétique. T em: couple électromagnétique Ω : vitesse de rotation E : force contre - électromotrice. K : constant f.e.m : Force électromotrice P: nombre de pair de pôles de la machine. N: nombre de conducteurs actifs de la périphérie de l'induit. a: nombre de paires de voies de l'enroulement entre les deux balais. n: fréquence de rotation de l'induit (en t/s). Φ: flux sous un pôle de la machine en Webers. Ie: courant d’excitation. Pa: la puissance électrique absorbée. Pu: puissance mécanique fournie Tu : couple utile. V : tension d’alimentation. I: l’intensité du courant. P fer : Pertes fer.

Pméca : Pertes mécanique. Pa: Puissance absorbée Pu: Puissance utile Pem: Puissance électromagnétique PJS: Pertes par effet joule dans l’inducteur PJR: Pertes par effet joule dans l’induit Pc: Pertes fer + pertes mécaniques : dites pertes constantes η: rendement.

INTRODUCTION GENERALE

Introduction

Introduction Générale : La technologie moderne des systèmes d’entraiment exige de plus un contrôle précis et continu de la vitesse du couple et de la potion tout en garantissant la stabilité la rapidité et le rendement le plus élevé possible. Les machines à courant continu ont pendant longtemps été seuls aptes à la vitesse variable à large bande passante (robotique) ils ont l’objet de nombreuse amélioration et beaucoup de produit commercialises aujourd’hui n’ont rien à envier à leurs homologues sens balais. En électrotechnique en s’intéresse toujours en premier lieu à la machine à courant continu car il est possible d’obtenir de maniéré relativement simple sa modélisation surtout dans le cas où le flux agissant sur l’induit est constant (machine à flux constant), il s’en suit que la machine à courant continu est une référence aussi bien en fonctionnement moteur qu’en génératrice. Les premiers moteurs à courant continu datent des années 1830-1840. L’objet de ce projet est de faire une étude générale s ur les moteurs à courant continu et la modélisation telle façon, quelle que soit la constitution et le principe de fonctionnement et les modes d’excitations. Ce projet comporte 2 partie, dont lesquels nous allons traiter des généralités sur les moteurs à courant continu et la modélisation du MCC comme une partie. Et la simulation de MCC qui a été programmée par logiciel MATLAB/SIMULINK pour le 2 éme partie.

1

CHAPITRE 1 Généralité sur Le moteur à courant Continu

Généralité sur le moteur à courant continue

Chapitre 01

Introduction : La machine à courant continu est un convertisseur d’énergie. Totalement réversible elle peut fonctionner soit en moteur. Convertisseur de l’énergie électrique en énergie mécanique soit en génératrice. Convertisseur de l’énergie mécanique en énergie électrique. Les moteurs à courant continu sont utilisés dans les asservissements ou la facilité de réglage de la vitesse du moment. Du couple et du sens de rotation une mise en œuvre aisée.

Figure 1.1 : Moteur à courant continu. Dans ce chapitre nous intéressons beaucoup plus à la partie qui fonctionne comme un moteur à courant continu, pour faire une étude expérimental (simulation) dans le chapitre suivant. 1-1 Conversion d’énergie : Moteur : pour entrainer un système en rotation (c’est-à-dire fournir de la puissance mécanique)

Moteur 3

Chapitre 01

Généralité sur le moteur à courant continue

Énergie électrique

énergie mécanique utile

Fournir

Figure 1.2 : mode de fonctionnement de la MCC

1-2 Description d’un moteur à courant continu : Les moteurs à courant continu sont constitués comme tous les moteurs de 2 parties principales : -

la partie fixe : appelée stator que l’on appelle aussi inducteur la partie mobile : appelée rotor que l’on appelle aussi induit

Figure 1.3 : constitution d’un moteur à courant continu. 1=épanouissement polaire 2=stator (inducteur) 3=rotor (induit) 4=arbre de la machine

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Chapitre 01

Généralité sur le moteur à courant continue

5=entrefer 6=bobines inductrices 7=pôles inducteurs 8=sens des lignes de champ 9=ligne neutre 10= conducteur actif de l’induit 11=encoche 12=collecteur 13=balais ou charbon Figure 1.4 : vue du moteur à courant continu.

1.2.1 L’induit (rotor) : L’induit est la partie tournante de le moteur, le noyau d’induit est en fer pour canaliser les lignes de champ , les conducteurs sont logés dans encoches sur le rotor, deux conducteurs forment une spire.

Figure 1.5 : induit (rotor) de moteur à courant continu

1.2.2 Inducteur (stator) : C’est la partie fixe.il est formé soit d’aimants permanents en ferrite soit de bobines placées autour des noyaux polaires. Lorsque les bobines sont parcourues par un courant continu. Elles créent un champ magnétique dans le circuit magnétique de la machine notamment dans l’entrefer. Espace séparant la partie fixe et la partie mobile.

3

Généralité sur le moteur à courant continue

Chapitre 01

Figure 1.6 : inducteur de moteur à court continu.

1.2.3 Collecteur et balais : Le dispositif collecteur /balais permet de faire circuler un courant dans l’induit, le collecteur est un ensemble de lames de cuivre, isolées latéralement les unes des autres par des feuilles de mica, et disposées suivant un cylindre, en bout de rotor. Ces lames sont réunies aux conducteurs de l’induit et transformeront le courant alternatif dans le bobinage en courant continu. Les balais portés par le rotor frottent sur les lames du collecteur. Ces contacts glissants entre lames et balais permettent d’établir une liaison électrique entre l’induit, qui tourne et l’extérieur de la machine.

Figure 1.7 : collecteur et balais d’une machine à courant continu

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Généralité sur le moteur à courant continue

Chapitre 01

Le collecteur est un commutateur mécanique qui inverse le sens du courant dans les conducteurs qui franchissent la ligne neutre les balais solidaires de la carcasse qui frottent sur le collecteur lorsque l’induit est soumis à une tension appliquée entre balais , le système balais –collecteur répartit le courant dans les conducteurs comme indiqué sur le schéma de la figure (1.7) le sens conventionnel est le même dans tous les conducteur situés un pôle , et le sens contraire dans tous les situés sous l’autre pôle.

Figure 1.8 : principe du collecteur d’une machine à courant continu

1-3 Symbole d’un moteur à courant continu :

ou

1-4 Principe de fonctionnement et modèle équivalent de l’induit : 1.4.1 Fonctionnement en moteur : Les machines à courant continu fonctionnent aussi bien en moteur qu’en générateur. Elles sont réversibles. Lorsque l’on place une spire parcourue par un courant dans un champ magnétique, il apparait un couple de forces. Ce couple de forces crée un couple de rotation qui fait tourner la spire. Au cours de ce déplacement. Le couple de rotation diminue constamment jusqu’à s’annuler après rotation de 90 degrés (zone neutre. la spire se trouve à l’horizontale et perpendiculaire aux aimants naturels). A fine d’obtenir une rotation sens à coup. L’enroulement d’induit doit être constitué d’un nombre élevé de spire similaires. Celles –ci seront réparties de façon régulière sur le pourtour du rotor (induit). De maniéré à obtenir un couple indépendant de l’angle de rotation du courant de la partie fixe à la partie tournante du moteur.

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Généralité sur le moteur à courant continue

Chapitre 01

Figure 1.9: schéma d’une machine à courant continu.

1-5 Equation de grandeur de moteur à courant continu : Soit : -

n : le nombre de conducteur de l’induit. I : le courant total à l’induit. 2a : le nombre de voie en parallèles de l’induit .c’est-à-dire nombre de circuits.

-

N : la vitesse de l’induit en tours par seconde.

1.5.1 Couple utile du moteur : Lorsqu'il circule une intensité I dans l'induit, la puissance électromagnétique est :

𝑷𝑬 = 𝑬. 𝑰

(𝟏. 𝟏)

Le rotor tournant à la vitesseΩ, il existe un couple électromagnétique Tem tel que : 𝑷𝑬 = 𝑻 𝒆𝒎. Ω

(𝟏. 𝟐)

On montre alors que l'expression du couple électromagnétique est : 𝑻 𝒆𝒎 = 𝑲. 𝑰

(𝟏. 𝟑)

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Généralité sur le moteur à courant continue

Chapitre 01

C’est-à-dire que le couple électromagnétique est proportionnel à l'intensité qui Circule dans l'induit.

1-5-2 Force électromotrice (f.e.m.) : La force électromotrice (E) est la tension produite par le rotor (l’induit) lors de sa rotation dans le flux magnétique produit par la partie fixe (l’inducteur). Elle dépend des éléments de construction de la machine. Elle est donnée par la relation d’électrotechnique :

𝑬 = (𝑷 /𝒂). 𝑵. 𝒏. 𝜱

(𝟏. 𝟒)

-

P : nombre de pair de pôles de la machine. N : nombre de conducteurs actifs de la périphérie de l'induit. a : nombre de paires de voies de l'enroulement entre les deux balais.

-

n : fréquence de rotation de l'induit (en t/s). Φ: flux sous un pôle de la machine en Webers.

Finalement : 𝑬 = 𝑲. 𝜴. 𝜱

(𝟏. 𝟓)

Avec : 𝑲 = (𝑷/𝟐𝝅𝒂) 𝑵

(𝟏. 𝟔)

1-6 Les Déférents type de moteur à courant continu : On distingue deux types de moteurs à courant continu :

I.6.1 Les moteurs à inducteur à aimant permanent : Il n’y a pas de circuit inducteur, le flux inducteur est produit par un aimant permanent. Tous les moteurs à courant continu de faible puissance et les micromoteurs sont des moteurs à aimant permanent. Ils représentent maintenant la majorité des moteurs à courant continu. Ils sont très simples d’utilisation.

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Généralité sur le moteur à courant continue

Chapitre 01

Figure 1.10: Moteur à aimant permanent

I.6.2 Les moteurs à inducteur bobiné : Il existe 4 types différents de moteurs électriques qui sont classés en fonction du type d'excitation qui est employé, qui sont : -

le moteur à excitation séparée. le moteur à excitation shunt.

-

le moteur à excitation série. le moteur à excitation composée

Figure 1.11 : type d'excitation d’un moteur à courant continu

1.6.2.1 Le moteur à excitation séparée :

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Généralité sur le moteur à courant continue

Chapitre 01

Dans un moteur à excitation séparée ou indépendante, le circuit d’excitation est séparé du circuit d’induit. Si l’inducteur est un aimant permanent, le flux (Φ) est constant. Si l’inducteur est un électroaimant alimenté par une source de tension continue réglable, le flux (Φ) ne dépend que du courant dans l’inducteur appelé courant d’excitation (Ie). Le courant crée un champ et une quantité de champ à travers une spire donne un flux. Si la tension (Ve) est constante, le courant d’excitation (Ie) est constant et le flux (Φ) est constant. Dans ces conditions, la force contre électromotrice (E) ne dépend que de la fréquence (n) de rotation. Donc la fréquence de rotation (n) est proportionnelle à la tension (V) d’alimentation du moteur. Compte tenu de la conservation de la puissance d’une machine (en négligeant les pertes), la puissance électrique absorbée est :

𝑷𝒂 = 𝑽. 𝑰

(1.7)

Et la puissance mécanique fournie est : 𝑷𝒖 = 𝑻𝒖. 𝜴 = 𝑻𝒖. 𝟐𝝅. 𝒏

(𝟏. 𝟖)

Si (V) est proportionnelle à (n) cela signifie que (Tu) est proportionnel à (I). Donc le couple utile (Tu) est proportionnel à l’intensité du courant d’alimentation du moteur.

Pour un moteur à excitation séparée, le flux (Φ) est constant donc la fréquence de rotation (n) est proportionnelle à la tension d’alimentation (V) :

𝒏 = 𝑬/𝑲𝜱 = 𝑽 − 𝑹. 𝑰/𝑲𝜱 = 𝑲. 𝑽

n

(𝟏. 𝟗)

Ie constan

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Chapitre 01

Généralité sur le moteur à courant continue

n=f(v)

V

n = f(V)

Figure 1.12: Caractéristiques d’un moteur à excitation séparée Et le couple (Tu) est proportionnel à l’intensité du courant d’alimentation (I) :

𝑻 = 𝑬. 𝑰𝜴 = 𝑲𝜱. 𝑰 = 𝑲′. 𝑰

(𝟏. 𝟏𝟎)

T

T=f(I

I

Figure 1.13: Le couple en fonction de courant d’alimentation

1.6.2.3 Le moteur à excitation série : Dans un moteur à excitation série ou moteur série, le circuit d’excitation est en série avec le circuit d’induit. Le flux n’est plus constant mais proportionnelle à (I). Dans ces conditions, la force contre électromotrice (E) dépend de la fréquence (n) de rotation et de l’intensité du courant (I).

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Chapitre 01

Généralité sur le moteur à courant continue

Donc la fréquence de rotation (n) est proportionnelle à la tension (V) et au courant (I) d’alimentation du moteur. Compte tenu de la conservation de la puissance d’une machine (en négligeant les pertes), la puissance électrique abso...