Les machines a courant continu

L’automatique est un domaine qui tient une place de plus en plus importante dans l’activité humaine. Elle ne se limite plus au secteur industriel, mais trouve également son application dans les produits les plus courants. Les systèmes automatisés ont étés conçus, à l’origine, pour remplacer l’homme dans l’accomplissement de tâches fastidieuses, dangereuses ou dépassant ses capacités physiques. Le XIXe siècle fut l’époque de la première révolution industrielle, on construisit des machines qui étaient le prolongement et l’amplification des muscles (locomotives, machines à vapeur,…). Puis vint le XXe siècle, avec la seconde révolution industrielle où des machines ont étés conçus pour penser et pour commander d’autres machines. Par exemple pour le pilotage automatique d’avion ou de chaines de montage industrielles.

La régulation quant à elle, est une technique qui consiste à la prise de contrôle d’une ou de plusieurs grandeurs physiques d’un système en vue d’en imposer son comportement. Dans notre cas le système physique sera un moteur à courant continu et le comportement à imposer sera de garder une sortie (vitesse) fixe et égale à la consigne d’entrée, quelles que soient les perturbations. Le choix s’est porté sur le moteur à courant continu à excitation séparée parce qu’il est, depuis longtemps, le type d’entrainement le plus utilisé pour les applications à vitesse variable, son coté attractif provient en grande partie de la simplicité de sa commande en raison de sa plage de tension élevée, ce qui a une incidence directe sur le niveau des performances, que l’on parle en termes d’asservissement ou en termes économiques. En dépit de cette particularité, le moteur est aussi le siège de couples résistants tendant à modifier son comportement, d’où la nécessité de contrôler son fonctionnement pour asservir sa vitesse.

Les Machines à Courant Continu

Constitution du moteur

La machine à courant continu étant un système électromécanique, il comprend donc une partie mécanique et une partie électrique mais également un circuit magnétique qui effectue la jonction entre les deux parties précédentes. Nous allons citer ces différentes parties de la machine [4].

La partie fixe ou l’inducteur 

Appelée aussi stator, elle est de forme cylindrique creuse et comporte des saillies généralement constituées soit d’aimants permanents en matériaux ferromagnétiques (on les retrouve sur des machines dont les puissances varient d’une dizaine à une vingtaine de kilowatts), soit de bobines enroulées autour de noyaux polaires (puissance supérieure à 100kW), c’est cette partie du moteur qui sera à l’origine de la création du flux inducteur.

La partie mobile ou l’induit 

Connue sous la dénomination de rotor, elle est de forme cylindrique pleine et comporte des encoches dans lesquelles seront disposés les conducteurs d’induits ; ces conducteurs seront le siège des forces électromotrices qui créeront le mouvement rotatif du rotor.

L’entrefer

Espace compris entre l’inducteur et l’induit du moteur, cet espace joue le rôle de circuit magnétique et achemine les flux de champs magnétiques allant de l’inducteur vers l’induit.

Le collecteur et les balais

C’est un organe mécanique composé d’ensemble de lames de cuivre isolées latéralement les unes des autres et disposées suivant un cylindre en bout de rotor. Ces lames sont réunies aux conducteurs d’induit et réalisent ainsi une liaison électrique. Les balais portés par le stator frottent sur les lames du collecteur. L’ensemble collecteur-balais joue le rôle de redresseur mécanique en ajoutant instantanément les forces électromotrices de même signe.

Caractéristiques de fonctionnement

Fonctionnement à excitation constante 

Ce type de fonctionnement est très utilisé à cause de sa simplicité d’utilisation et de la linéarité de contrôle (couple proportionnel à la vitesse). On le rencontre surtout dans les machines à aimants permanents ; par contre pour les machines à inducteur bobiné les grandeurs du circuit inducteur sont tenues constantes par la mise en alimentation de l’inducteur sous une tension constante, la variation de la vitesse n’étant plus fonction du flux, la machine est commandée uniquement par la tension d’induit U.

Caractéristiques à vide E=f(Ф) et à vitesse Ω constante

La caractéristique à vide définit le fonctionnement de la machine, à courant d’excitation variable et à vitesse de rotation constante,

− De 0 à A : la caractéristique est linéaire c’est-à-dire que la f.é.m. varie proportionnellement au flux inducteur Ф car elle n’est plus fonction de la vitesse qui est désormais une constante.

E=KE.Ф.Ω

− Dans la portion AB il y a début de saturation du matériau constituant le moteur.

− Au delà du point B, il y a saturation complète du matériau donc la variation du flux inducteur n’influe plus sur la valeur de E (elle devient fixe), cette zone s’accompagne de la création de pertes qui augmentent de plus en plus avec la valeur de If.

La zone de fonctionnement idéale est celle qui se trouve au voisinage du point A. En réalité la variation successive du courant d’excitation If donne naissance à un phénomène d’hystérésis du fait de la présence du matériau ferromagnétique.

Alimentation des machines à courant continu

La commande de la vitesse des moteurs à courant continu s’effectue à travers l’alimentation de la machine qui joue généralement le rôle d’un interrupteur commandé associé avec un modulateur de largeur d’impulsion .

Les principaux convertisseurs utilisés pour la régulation des moteurs à courant continu sont :

− Les hacheurs : ce sont des convertisseurs continu-continu qui ont pour fonction de fournir une tension continue variable à partir d’une tension continue fixe. Il existe deux types de convertisseurs continu-continu ; ceux qui sont non isolés que l’on appelle les hacheurs (généralement constitué d’un pont de transistor) et ceux qui comportent un transformateur assurant l’isolation galvanique que l’on appelle les alimentations à découpage. Le circuit de redressement pour l’alimentation du hacheur a aussi été représenté. Ce redresseur est nécessaire si l’alimentation est branché sur le réseau industriel, nous remarquons également la présence d’un modulateur de largeur d’impulsion qui est commandée par le correcteur de courant, ce dernier quant à lui synthétise une loi de commande pour le modulateur à partir de l’erreur.

− Le redresseur à thyristors : c’est également une solution pour l’alimentation des moteurs à courant continu, elle fourni une tension constante au moteur à chaque fois qu’un courant de gâchette apparait. Elle joue donc le rôle d’interrupteur commandé et alimente en tension la machine à chaque fois qu’elle reçoit une impulsion de gâchette. Les types de commutateur utilisés sont des thyristors à séquence d’allumage commandable.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : LES MACHINES A COURANT CONTINU
I. Introduction
II. Constitution du moteur
a. La partie fixe ou l’inducteur
b. La partie mobile ou l’induit
c. L’entrefer
d. Le collecteur et les balais
III. Principe de fonctionnement des moteurs à courants continu
IV. Equations générales
a. La force électromotrice
b. Le couple électromagnétique
c. Puissance électromécanique
d. La réaction magnétique d’induit
e. Réversibilité
f. Expression de la vitesse de rotation
V. Caractéristiques de fonctionnement
a. Fonctionnement à excitation constante
b. Caractéristique à vide E : f(Ф) et à vitesse constante
c. Caractéristique en charge U : f(I)
VI. Alimentation des machines à courant continu
Chapitre 2 : MODELISATION EN REGIME DYNAMIQUE DU MOTEUR A COURANT CONTINU
I. Introduction
II. Equation caractéristiques relatives à la modélisation
a. La tension induite généralisée
b. Le couple électromagnétique
III. Modélisation de la machine
a. Modélisation de la machine alimentée en tension
b. Modélisation de la machine à courant continu pour la régulation de courant
c. Modélisation réelle de la machine à courant continu
Chapitre 3 : PRINCIPE DE LA REGULATION DE VITESSE DES MOTEURS A COURANT CONTINU
I. Introduction
II. Principe général de la régulation
a. Les éléments de la chaine de régulation
b. Concept de l’asservissement de vitesse
III. Structure de régulation d’un moteur à courant continu
a. Structure de la régulation en parallèle
b. Structure de la régulation en cascade
Chapitre 4 : MODELISATION DE LA CHAINE DE REGULATION
I. Introduction
II. Modélisation du moteur à courant continu
III. Modélisation de l’alimentation du moteur
IV. Synthèse du correcteur de vitesse
V. Synthèse du correcteur de courant
a. Dimensionnement du filtre de courant
b. Synthèse du correcteur de courant
Chapitre 5 : THEORIE DU STATEFLOW
I. Généralités
II. Introduction aux machines à états finis
III. Etudes des différents menus de l’éditeur STATEFLOW
a. Les objets graphiques
b. Les objets non graphiques
c. Le dictionnaire d’objet STATEFLOW
IV. Hiérarchie des objets dans STATEFLOW
V. Les opérateurs dans STATEFLOW
a. Les opérateurs arithmétiques et binaires
b. Les opérateurs unaires
c. Les opérateurs d’assignation
d. Les pointeurs et les adresses
e. Les types de variables
VI. Introduction aux différents objets
a. Les états
b. Les transitions
c. La transition de défaut
d. Les jonctions
e. La jonction historique
f. Les boites
g. Les évènements
h. Les données
i. Les actions
j. Les fonctions graphiques
VII. Utilisation des données et des fonctions MATLAB dans STATEFLOW
a. Utilisation de l’opérateur ‘ml’
b. Utilisation des fonctions ml
c. Utilisation simultanée de l’expression ml et des fonctions ml
VIII. Les opérateurs de logique temporelle (OLT)
a. Règles d’utilisation des OLT
b. L’OLT After
c. L’OLT Before
d. L’OLT At
e. L’OLT Every
f. L’OLT In
IX. L’appel des fonctions C avec STATEFLOW
a. L’appel des fonctions C dans les transitions
b. L’appel des fonctions c dans les états
X. Utilisation des tables de vérité dans STATEFLOW
a. Introduction
b. Langage d’action des tables de vérité de STATEFLOW
c. Utilisation des tables de vérité
d. Programmation des tables de vérité
XI. Utilisation des outils de STATEFLOW
a. Le model explorer de STATEFLOW
b. Le debugger de STATEFLOW
XII. Etude d’un exemple
CONCLUSION GENERALE

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