chapitre 2 cmcc 24 02 2015 final

7/21/2019 Chapitre 2 CMCC 24 02 2015 Final

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Chapitre II

Commande des machines courant continu

II.1 Introduction

Ce chapitre sarticule sur trois volets. Le premier mettra laccent sur ltude de la

modlisation de la MCC en rgime quelconque, sur lidentification de deux constantes de temps

lectrique et lectromcanique. Le rglage en boucle ouverte (BO) de vitesse, la formule de

stratgies de trois mthodes du rglage de vitesse, rhostatique rotorique, du flux statorique et de

la tension rotorique. Le domaine de fonctionnement sera expliqu

Le deuxime volet dtaillera les convertisseurs statiques pour commander les MCC,

comparaison et critres de bon choix : Redresseurs, hacheurs

Le troisime volet fera une tude approfondie sur les stratgies de commande dune

MCC, Schma fonctionnel : rguler ou asservir, protger, rgulation boucles convergentes,rgulation boucles parallles, rgulation en cascade couple/vitesse, rgulation et limitation du

courant dinduit, schma dune CMCC, assimilable un systme du 1er ordre et/ou second ordre,

logiciel SIMCAD, Matlab. Le variateur lectronique couvre aujourd'hui la plus grande partie des

applications, pour toutes les puissances.

II.2 Chaine cinmatique de la commande dune MCC

Le synoptique dun moto- variateur en Boucle Ouverte (B.O.) est donn par la figure (II.1).

Figure II.1 : Chaine cinmatique de la commande lectrique dune MCC

Chapitre II: Commande des machines courant continu 11


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II.3. Diffrentes solution de la variation de MCC

Deux paramtres permettent d'agir sur la vitesse:

Action sur la tension rotorique ;

Action sur le courant dexcitation statorique (flux).

Daprs les relations existant entre la vitesse, le flux et la force contre-lectromotrice, il est

possible de faire varier la vitesse de la MCC de deux manires diffrentes. On peut :

Augmenter la force contre-lectromotrice E en augmentant la tension au borne de l'induit

tout en maintenant le flux de l'inducteur constant. On a un fonctionnement dit "couple

constant". Ce type de fonctionnement est intressant au niveau de la conduite

d'ascenseur.

Diminuer le flux de l'inducteur (flux d'excitation) par une rduction du courant

d'excitation en maintenant la tension d'alimentation de l'induit constante. Ce type de

fonctionnement impose une rduction du couple lorsque la vitesse augmente.

Il existe deux Structures du circuit de puissance pour varier la tension rotorique

Si la source da source dnergie lectrique est courant continu, alors le circuit de puissance doit

avoir un groupement en cascade respectivement :{Source courant continuHacheurMCC}.

Noublier pas quil existe trois types de hacheurs.

Si la source da source dnergie lectrique est courant alternatif, alors le circuit de puissance

doit avoir un groupement en cascade respectivement : {Source courant alternatifredresseur

commandMCC}. Notez bien les redresseurs commands soient tout thyristor, mixte.,

Nous tudierons les deux solutions de la variation de la vitesse de la MCC sur deux volets

successifs.

II.4/ Procd de freinage

Pour obtenir un freinage efficace, on doit tre capable dliminer le plus rapidement possible

l'nergie mcanique emmagasin sur larbre du moteur. Deux procds de freinage sont utiliss:

- Freinage avec rsistance de dissipation

- Freinage avec rcupration d'nergie



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II.4.1/Freinage avec rsistance de dissipation

Cette technique est utilise pour les moteurs de faibles puissances dont les nergies mises en jeux

ne sont pas importantes.

Lors du freinage, le moteur fonctionne en gnratrice et lnergie mcanique est transforme ennergie lectrique dissipe dans une rsistance sous forme dnergie calorifique (effet Joule).

Donc cette transformation permet de contrler le freinage du moteur.

Rem arque :Plus la rsistance de freinage sera faible plus le freinage sera rapide car Ecalo=RIt. Si

R diminue, I augmente et le freinage sera plus rapide.

Figure II.2 : Freinage avec rsistance de dissipation

II.4.2/Freinage avec rcupration d'nergie

Cette technique est utilise pour les moteurs de fortes puissances ou les nergies mises en jeux

lors des phases de freinage ne sont pas ngligeables. Exemple: TGV, ascenseur, Tramway, etc.

Lors du freinage, lnergie mcanique est transforme en nergie lectrique pouvant servir

recharger des batteries ou tre renvoye sur le rseau lectrique. Dans le cas du TVG, l'nergie est

rcupre dans des batteries assurant le fonctionnement de systmes auxiliaires tels que

l'clairage, la ventilation, etc.

Rcupration sur batterie

Figure II.3 : Freinage avec rcupration dnergie



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Rcupration par renvoie d'nergie sur rseau

Figure II.4 : Freinage par renvoie d'nergie sur rseau

II.5/ Diffrents types de redresseurs

Le redresseur est un convertisseur Alternatif Continu. Le rseau dalimentation peut tre

courant alternatif monophas (habitat) ou encore triphas (industrie). Plus prcisment, on classe

les divers redresseurs en trois catgories :

Les redresseurs non commands tout diodes tension de sortie moyenne fixe ;

Les redresseurs commands tout thyristors tension de sortie moyenne variable ;

Les redresseurs semi- commands mixte diodes et thyristors tension de sortie

moyenne variable ;

II.5.1/ Redresseurs non commands (diodes)

Les fonctions Max et Min sont la base du fonctionnement des redresseurs. Les redresseurs non

commands ne comportent que des diodes. Ils ne dlivrent qu'une tension moyenne de sortie fixe, et ne

seront donc pas utilis pour faire la variation de vitesse pour les MCC. Ils peuvent alimenter linducteur

un flux fixe.

Figure II.5 : PD2 et PD3 tout diodes.



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II.5.2/ Redresseurs commands

Ces redresseurs permettent de faire varier la tension moyenne linduit de la MCC en agissant sur l'angle

de retard l'amorage des thyristors. Le circuit de puissance de ces redresseurs peut tre mixte form de

diodes et thyristors ou tout thyristors. Un thyristor est un interrupteur command.

Figure II.6 : PD2 mixte symtrique et asymtrique

Figure II.7 : PD2 tout thyristors.

Figure II.8 : PD3 mixte symtrique et tout thyristors

En monophas, on distingue quatre ponts redresseurs commands :

Pont mixte bras symtriques:

- Commutateur les plus positifs tout thyristors ;

- Commutateur les plus ngatifs tout thyristors.



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- Pont mixte bras asymtrique (une bras compos par deux thyristors).

En triphas, on distingue deux ponts redresseurs commands :

Redresseur command triphas double alternance PD3 tout thyristors ;

Redresseur command triphas double alternance PD3 mixte symtrique.

Nexiste pas le PD3 mixte Asymtrique.

Pour savoir plus consultez ce site web :http://sitelec.org/cours/abati/redc.htm

Les redresseurs totalement commands sont souvent appels des convertisseurs

bidirectionnels parce que la puissance peut circuler dans les deux sens entre

lalimentation et la MCC.

Les redresseurs semi-command et les redresseurs non commands sont souvent appels

des convertisseurs unidirectionnels, car ils interdisent la puissance de scouler de la

MCC vers lalimentation courant alternatif.

Les redresseurs semi-commands comportent des thyristors et des diodes qui empchent

la tension aux bornes du moteur courant continu de sinverser, mais permettent de

rgler sa valeur moyenne.

II.6/ Pont mixte symtrique monophas

Ces ponts mixtes tant majoritairement utiliss pour la variation de vitesse des moteurs courant

continu. Le pont mixte monophas ne permet pas d'obtenir une tension de sortie de valeur

moyenne ngative : Il permet donc un pilotage de la MCC dans un seul quadrant (1). La tension

d'induit, toujours positive, est lie l'angle d'amorage des thyristors. Le quadrant 3 peut tre

obtenu par inversion de la tension d'induit via les contacteurs.

La prsence d'une diode de roue libre (DRL) est indispensable pour vacuer l'nergie

emmagasine dans les bobinages du moteur lorsque les thyristors sont bloqus

Montage

Figure I.9 : PD2 mixte symtrique.

http://sitelec.org/cours/abati/redc.htmhttp://sitelec.org/cours/abati/redc.htm


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Chronogrammes

Le circuit de commande des thyristors permet de rgler l'angle de retard l'amorage

Figure II.10 : Allures de la tension, entre et de la sortie de PD2 mixte symtrique.

Analyse du fonctionnement

- Phase 1 : l'instant t = , on amorce Th1 :

Figure II.11 : Th1 et D2 sont passants- Phase 2 : l'instant t =, u devient ngativeD2 se bloque et D1 devient conductrice :



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Figure II.12 : Th1 et D1 sont passants

C'est une phase de " roue libre (la bobine du moteur se dcharge).

- Phase 3 : l'instant t = +, on amorce Th2 :

Figure II.13 : Th2 et D2 sont passants- Phase 4 : l'instant t = 2 , phase de roue libre :

Figure II.14 : Th2 et D2 sont passantsValeur moyenne de la tension de sortiePD2 mixte symtrique :

[ ] [ ]max, 1 cos( ) 0r moyU

U

= +



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Figure II.15 : N () flux dexcitation constant.

II.7/ Pont mixte monophas asymtrique

Notez bien que le pont asymtrique na pas besoin de diode de roue libre dans le cas dune charge

inductive (R & L ou R, L & E) car quand la tension de sortie Us veut devenir ngative, le bras form par

les diodes D1et D2deviennent conductrices et assurent la roue libre. La tension aux bornes du moteur est

nulle quand elles entrent en conduction.



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Figure II.16 : Squence de conduction, tensions de sortie et aux bornes du thyristor 1

Le choix entre PD2 mixte asymtrique ou symtrique se fera en fonction de lapplication vise et

du nombre de quadrants envisags. Bien entendu, le choix dune structure mixte permet derduire les cots lis aux semi-conducteurs (un thyristor restant plus cher quune diode (environ

dun facteur 5 10)).

Compte-tenu de la disposition des semi-conducteurs, la squence de conduction est diffrente

pour un pont symtriqueet pour un pont asymtrique. Pourtant, cela na aucune importance

sur la tension de sortie du convertisseur. La Figure II.17 prsente la diffrence entre les squences

de conduction, des tensions de sortie et des allures des tensions aux bornes du thyristor Th 1des

deux ponts envisags.

Les redresseurs mixtes ont linconvnientde ne pas fonctionner en onduleur.

II.8/ Pont tout thyristors monophas

Les composants des redresseurs totalement commands sont des thyristors. Nous rglons la

tension de sortie en valeur moyenne algbrique, en commandant langle damorage des

thyristors. Ce type de redresseur est ralis en utilisant un montage en pont de Gratz tout

thyristors avec une charge inductive comme le montre la figure suivante :



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Figure II.17 : PD2 tout thyristors

Les thyristors sont unidirectionnels en courant (non rversible en couple).

2 sens de rotation.

2 quadrants de fonctionnement (N1 et 2).

Freinage statique (quadrant N2).

Il ny a plus de diode de roue libre. La conduction des thyristors se poursuit tant que le courant

ne sannule pas, bien que la tension de sortie soit ngative. Fonctionnement dans deux quadrants

(1 et 4): Deux sens de rotation, le couple moteur est toujours positif. L'application typique en est

le levage avec descente en rcupration.

Le fonctionnement de ce montage est bas sur les fonctions Max et Min vues enintroduction.En

effet, les thyristors Th1 et Th3 conduisent quand v(t), la tension d'entre, est positive. Les

thyristors Th2et Th4conduisent quand v(t) est ngative.

Figure II.18 : Tensions dentre et de sortie du PD2 tout thyristors pour =/6.

Calcul de la valeur moyenne de la tension de sortie en fonction de la tension dentre:

max,

2 cos( )r moy

UU

=

Si augmente Umoydiminue donc N diminue

Si diminue Umoyaugmente donc N augmente

http://fr.wikiversity.org/wiki/Redresseur/Introductionhttp://fr.wikiversity.org/wiki/Redresseur/Introduction


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Si on augmente langle de retard lamorage au-del de 90, le signe de la tension redresse sinverse et

lon passe dun montage redresseur un onduleur assist.

< 90 fonctionnement en moteur

= 90 le moteur est arrt mais il peut fournir un couple (maintient dune charge)

> 90 Fonctionnement en gnratrice

Un onduleur est un systme qui permet de transformer un courant continu en courant alternatif. On le dit

assist lorsquil a besoin de la prsence de la tension du rseau pour fonctionner. Il fournit de lnergie

active au rseau, mais il absorbe de lnergie ractive.

Si on veut un 2me sens de rotation moteur

1resolution : Inversion de la tension linduit

Figure II.19 : deuxime sens de rotation de la MCC

Les thyristors. sont unidirectionnels en courant

2 sens de rotation.

4 quadrants de fonctionnement.

Freinage statique (quadrant N2 et 4).

2me solution : Fonctionnement dans les quatre quadrants

Figure II.20 : Double ponts tout thyristors pour fonctionnement de la MCC dans les 4 quadrants.

Il s'agit d'un doublepont complet tout thyristors. Tous les transferts sont possibles. Une application

typique est le mouvement horizontal dans les deux sens avec freinage en rcupration. Les

thyristors sont unidirectionnels en courant (deux en tte pche prsentent un interrupteur

rversible en courant)

2 sens de rotation.

4 quadrants de fonctionnement.



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Figure II.23 :schma du montage (1re cas )



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2me solution :

Figure II.24 ::schma du montage ( 2me cas)



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3me solution :

Figure II.25 ::schma du montage (3me cas )



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4me solution :

Figure II.26 :Figure 8 :schma du montage (4 me cas)



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Figure II.27 : Fonctionne MCC dans un seul sens en M ou dans les 4 quadrants

II.10 Modlisation de la MCC

Les possibilits dexcitation dun moteur courant continu

Pour crer le flux inducteur dans une machine courant continu, on dispose de deux possibilits :

Alimenter lenroulement dexcitation directement par une source continue (excitation

spare ou shunt).

Mettre lenroulement dexcitation en srie avec linduit.

Les caractristiques couple/vitesse qui en dcoulent sont rappeles dans la figure (II.1).



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Figure II.28 Caractristique mcanique Couple/vitesse.

Pour le moteur excitation shunt ou indpendante, la vitesse reste pratiquement

constante quelque soit le couple. Les caractristiques sont paramtres par le courant

dexcitation. Le moteur est autorgulateur de vitesse.

Pour le moteur excitation srie, le moteur tendance de semballer vide. Le couple au

dmarrage est trs fort. Le produit C est pratiquement constant : le moteur est

autorgulateur de puissance.

Le choix du mode dexcitation se fait en fonction de la charge entraner. On peut affirmer que

le moteur excitation srie est le moteur idal pour la traction lectrique, les ventilateurs et les

pompes. Le moteur excitation shunt se trouve dans toutes les autres applications : machines

outil, levage, etc.

Nous limitons ltude la commande la machine courant continu (MCC) excitation spare.

H ypothses s impl i ficatr ices Nous supposons que tous les essais sont raliss sur une MCC

totalement compense, quivaut dire les deux chutes de tension causes par le dispositif balais

collecteur et la raction magntique de linduit R.M.I sont toutes les deux nulles.

( ) ( ) 0r b ri U i = = (II.1)



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D un point de vue lectrique le rotor de la MCC peut donc tre reprsent par le schma quivalent suivant :

Figure II.29Schma quivalent de linduit dune MCC totalement compense en rgime transitoire.

Les quations lectriques modlisant le rgime transitoire rotorique est dcrit par

l'quation diffrentielle:

rr v r r r

diu E R i L

dt= + + (II.2)

( )( ) ( )v ca s cav ca s v 1 s 1

pE N n I Np p

E N I E K I avec Kaa 2 a 2

2 n

= = == =

= (II.3)

Ir : valeur moyenne du courant instantan circulant dans linduit i r.

Ur : valeur moyenne de la tension instantane uraux bornes rotor.

NB : En rgime permanent lquation (I I.2) se rduit :

r v r r U E R I = + (II.4)

l Caractristique du Couple lectromagntique



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( )

( )

( ) ( )1 1

1

2

m m

m ch r

m s r m s r

ch v r

v s

P C

P E I

n C K I I C K I I

E E I

E K I

=

=

= = =

=

=

(II.5)

La relation fondamentale de la dynamique de laccouplement rigide MCC charge

mcanique

em r f

dJ C C C

dt

= (II.6)

Position angulaire

d

dt

= (II.7)

Remarque: En rgime permanent toutes les grandeurs sont constantes. Dans ce cas-l, les

drives sont nulles. Vous remarquerez que si on annule les drives, on retombe sur les

quations du rgime permanent.

Ces relations permettent de dgager trois interprtations :

Le courant appel par le moteur est proportionnel au couple demand,

La vitesse de rotation est proportionnelle la tension dalimentation.

La vitesse de rotation est inversement proportionnelle au flux inducteur si on

nglige la chute ohmique devant la f.c..m.

Il en dcoule de ceci quil y a deux paramtres de rglage de la vitesse :

La tension dalimentation de linduit.

Le flux inducteur.

Remarque : la mme constante dans les relations (II.3) ; (II.5).



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II.11. Etude Automatique

II.11.1/ Systme de premier ordre ordinaire

Un systme est dit de 1er ordre, s il est dcrit par une fonction transfert de la forme :

( )

( )

S p KG p

E p 1 p= =

+( ) (II.8)

K : dsigne le gain statique

: dsigne sa constant de temps

Rponse un chelon

te t Eu t s t KE 1 e

= = /

( ) ( ) ( ) (II.9)

Valeurs initiale et finale

t

VI s 0 0

VF s t KE

=

=

( )

l i m ( ) (II.10)

Points particuliers

rp

rp

s 0 63KE

t 2 4 s 4 0 98KE

t 5 3 s 3 0 95KE

=

= =

= =

( ) .

% ( ) .

% ( ) .

(II.11)

II.11.2/ Systme de premier ordre gnralis



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( )

( )

( ) ( )1 2

2 2

S p K 1 p K 1 pG p

E p 1 p 1 p

+ += = =

+ +( ) (II.12)

II.11.3/ Systme de deuxime ordre

( )

( ) 2

0 0

S p KG p

E p p p1 2m

= =

+ +

( ) (II.13)

II.11.3/ correcteur P.I.D

di

di

1+ a . .p1+ .pC(p) = K . .

.p.p1+

a

avec K > 0, d< i et a > 0. (II.14)

II.11.3/ Synthse dun correcteur

Il existe plusieurs mthodes pour synthtiser un correcteur : Placement de ples, RST etc.

I.12/ Conclusion

Ce chapitre a permis dtudier les diffrents types de variateurs de vitesse des MCC en se basant

sur laction sur la tension rotorique via les redresseurs ou les hacheurs. A lindustrie, le pont

complet tout thyristors nest utilis que dans le cas o la rcupration dnergie est possible

(levage, traction,.) Divers application ncessitent des MCC prsentant une variation de vitesse

avec des inversions de sens de rotations en fonctionnement moteur et un freinage lectrique dans

ces deux sens. Ceci permet daugmenter le rendement nergtique de linstallation. Au lieu de

faire varier la vitesse avec des rducteurs mcaniques ncessitant un entretien et une lubrification

permanents et une consommation dnergie leve par la MCC pour fonctionner en rgime

nominal, il est plus ais et conomique de choisir les variateurs de vitesse lectroniques.

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