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Submitted on 1 Jan 1994
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Commutation assistée, des machines à courant continu
R. Goyet, H. Benalla
To cite this version:
R. Goyet, H. Benalla. Commutation assistée, des machines à courant continu. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (12), pp.2583-2592. �10.1051/jp3:1994298�. �jpa-00249284�
J. Phys. III France 4 (1994) 2583-2592 DECEMBER 1994, PAGE 2583
Classification Physics Abstracts
86.30D
Commutation assistke des machines h courant continu
R. Goyet (*) et H. Benalla
Laboratoire d'flectrotechnique des Universitds Paris VI et XI, Bitiment 214, Universitd Paris XI, 91405 Orsay, France
(Regu le ii mar J994, rdvisd le 2J juillet J994, acceptd le 6 septembre J994)
Rksumk.-Nous prdsentons ici une expdrimentation d'une machine h courant continu de
puissance 8 kW ii 35 V, 60 A) fonctionnant sans p61es auxiliaires. Rappelons que ces demiers ont pour fonction habituelle d'assurer la commutation des sections h leur passage sur la ligne neutre. Ii
s agit d'inverser le courant dans la section lorsqu elle passe devant (es balais. Les p61es auxiliaires sont en g6ndral encombrants et augmentent sensiblement le poids de la machine (de 1/5 environ).
Dans l'expdrience pr6sentde ici ils sont supprimds et la commutation est r6alisde h l'extdrieur de la machine grfice h un dispositif dlectronique appeld « d'assistance ». Dans un prdcddent article [Ii
nous avons donna le principe de fonctionnement de cette assistance. Dans ce deuxibme article nous
prdsentons les rdsultats obtenus sur une machine h l'aide de deux dispositifs dlectroniques diffdrents pilotds par ordinateur. Cette machine a fonctionn6, sans gdn6ration d'arc, h trois quarts de sa puissance nominale. L'expdrience confirme les possibilitds de la commutation assistde par
dlectromque. Les dispositifs utilisds ne constituent pa~ encore une solution industriellement viable
en remplacement du p61e auxiliaire. Ils permettent par contre d'apprdhender de fa&on originale (es phdnomknes de commutation. II s agit d'un procdd6 nouveau, utilisant h la fois le pouvoir de
coupure des balais et (es possibilit£s de r6glage fin de l'dlectronique de puissance.
Abstract. The paper presents an experiment of DC machine (135 V, 60 A, 8 kW) working
without commutating poles. These have the usual function of implementing the commutation of section~ as they pass trough the neutral line. It is a question of reversing the section current in front of the brushes. Commutating poles are generally bulky and increase perceptibly heaviness of the machine (of 1/5 about). In the following experiment they are suppressed and commutation is carried out from the outside of the machine owing to an electronic device. Working of this electronic assistance has been described in a previous paper. Here, in this second paper, two different devices are implemented until three quarters of nominal values of the machine accurate control of the devices is made easier by means of a computer. Experiment has been implemented without any spark under the brushes, it confirms the feasibility of a new way of commutation for DC machines. These devices do not make yet an industrial way of suppressing commutating poles.
On the other hand they lead to an original point of view about commutation phenomena. They set a new process using both the cutting off capability of brushes and the accurate adjustements of power electronics.
(*) Future adresse (d6cembre 1994) Laboratoire d'Electronique, Tour 32, Universit6 P, et M. Curie, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France.
@Les Editions de Physique 1994
1. Introduction.
L'assistance dlectronique consiste h appliquer, h la section en commutation, une tension de
polaritd et de valeur convenables. Il est donc indispensable d'avoir accbs aux deux homes de cette section par un systbme h double balai. Ceci permet h la fois de contrbler et de mesurer la tension et le courant de la section h partir d'une dlectronique extdrieure non toumante. Le bon fonctionnement de cette assistance ddpend de plusieurs parambtres : le type du bobinage, les
dimensions des balais et des lames du collecteur, la forme de la tension appliqude, et surtout le type d'accbs aux homes de la section en commutation. Pratiquement cet accbs aux sections en
commutation peut se faire de deux manibres :
. un accbs sun deux lames voisines, la section dtant alors simple pour un bobinage imbriqud (Fig. la), et double pour un bobinage onduld-sdrie (Fig. lb)
. un accds sun deux lames diamdtralement opposdes, la section dtant alors simple et le bobinage onduld-sdrie (Fig, lc).
Dans ce qui suit nous prdsentons des expdriences rdalisdes sun une machine h enroulement
onduld-sdrie fabriqude spdcialement pour dtudier les phdnombnes de commutation. Ce
prototype possbde un collecteur avec un porte-balais permettant de mettre en muvre h la fois les deux types d'assistance des figures 16 et lc. Ceux-ci sont appelds respectivement balancier et
symdtrique.
, ,
~,
, ,j ' ' , '
,
(a) (b) (c)
Fig. 1. Diffdrents types de commutation (s,a.c. systbme d'aide h la commutation).
[Different types of commutation.
2. Machine expdriment4e.
Cette machine, sans pbles auxiliaires, est tdtrapolaire et a les caractdristiques suivantes :
. puissance nominate 8 kW, vitesse 3 000 tr/min ;
. inducteur 135 V, 1,6 A
. induit 135 V, 60 A.
Le rotor est constitud de 31 encoches et 31 sections, le bobinage est du type onduld-sdrie
simple chaque section comporte 3 spires. Le collecteur de conception classique comporte 124 lames, mais une lame sun quatre seulement est relide au bobinage.
Le montage est visible sun la figure 5. Cette figure permet dgalement d'illustrer le fonctionnement de l'un des deux systbmes d'assistance (Sect. 3.2). Pour rdduire la densitd de
courant la lame connectde au bobinage est mise en parallble avec une deuxibme lame (lames
hachurdes) les deux lames restantes, isolde du bobinage, forment le nouvel interlame (lames
N° 12 COMMUTATION ASSISTtE DES MACHINES h COURANT CONTINU 2585
non hachurdes). Cette conception dvite le rebondissement du balai au passage d'une lame conductrice h une lame isolante. La disposition du contact avec le bobinage rotor diffbre de la machine classique oh le balai recouvre plusieurs lames.
Les 4 paires de balais sent montdes sur 2 couronnes concentriques pouvant toumer l'une par rapport h l'autre. Chaque balai a une largeur (5,5 mm) ldgbrement infErieure h la largeur du
nouvel interlame (7,5 mm).
3. Dispositifs d'assistance.
Les figures qui suivent sont relatives au fonctionnement en gdndratrice qui est utilisd par la suite au niveau de l'expdrimentation. Pour la commutation il n'y a pas de diffdrence entre le fonctionnement moteur et le fonctionnement g£n£ratrice. La seule particularit£ du fonctionne-
ment moteur est la ndcessaire mise en condition initiale des dispositifs d'assistance au cours
des premiers tours du rotor. Pour cette raison le fonctionnement en gdndratrice est un peu plus facile h mettre en muvre et a dtd prdfdrd, ici, pour les premiers essais.
3.I LE SYST#ME BALANCIER II, 2] (Figs. 2 et 3).-Le premier systdme d'aide h la
commutation, dit de type balancier, comporte
. deux thyristors principaux Tl et T2 relids chacun h deux balais voisins,
. un condensateur C qui foumit la tension d'aide h la commutation,
. un thyristor auxiliaire T~ associd h une inductance permettant l'inversion de la tension aux homes du condensateur.
Une particularitd du dispositif conceme le montage des balais + et des balais On rappelle
que, sun une machine tdtrapolaire, ii y a quatre lignes de balais, deux positives et deux
ndgatives, distantes chacune de 90°. Habituellement ces lignes de balais sont relides deux h deux pour donner finalement un seul balai + et un seul balai Ici cette liaison entre balais n'est pas rdalisde car, avec un nombre impair de sections, it apparait une diffdrence de potentiel
entre balais de mtme polaritd. Leur mise en parallble directe est donc impossible et seulement deux lignes de balais h 90° l'une de l'autre sont utilisdes (Fig. 2).
Le fonctionnement du systbme comporte plusieurs sdquences dont la plus importante, celle de la commutation, est reprdsentde sur la figure 3. Initialement, le courant principal
I est achemind par le balai Bl et le thyristor Tl. Lorsque le balai 82 arrive au contact de la lame m2, le thyristor T2 est amorcd et I commute de B I vets 82. Le sens du courant dans la
section sl s'inverse.
En supposant que les chutes de tension dans les deux balais se compensent en moyenne au
cours de la commutation, la tension aux homes du condensateur est donnde par l'dquation
suivante
"c~t~
= Uc° CDS
fi
~'~avec U~o tension du condensateur avant la commutation, c capacitd du condensateur d'aide h la commutation, ( l'inductance dquivalente h la section en commutation.
Cette inductance est ddlicate h ddfinir du point de vue thdorique. Les expdriences mendes
montrent cependant que tout se passe comme si la section en commutation se comporte
effectivement comme une simple inductance.
Le courant I
~
foumi par le condensateur s'oppose dans TI au courant principal circulant dans le balai Bl. Nous avons
~~~~~ ~ jis ~~° ~~~ fi' ~~~
la Ta
charge
I C
T2 T1 R L
82 81
82' ~~'
~
la'
Ta'
T1'
Fig. 2. Systkme « balancier
» dispositif d'assistance dans le cas particulier d'une machine tdtrapo- laire h nombre impair de sections.
[« Swinging » device assistance device in case of a DC machine with 4 poles and odd number of sections.]
la Ta
c
T2 Uc Tl
I+ic
- _ -
sens de rotation
s3 s2 sl s0
Fig. 3. Systdme « balancier » s6quence de commutation.
[« Swinging
» device sequence of commutation.
La commutation est terminde h t=t~~~ lorsque le courant i~j dans Tl est nul
(i~j (t~~~) = I + i~(t~~~)). La dur6e de commutation est atom :
t~~~ =
fiarcsin ) / (3)
~o
N° 12 COMMUTATION ASSISTfE DES MACHINES h COURANT CONTINU 2587 Cette durde est maximum lorsque la ddcharge du condensateur est totale, dans ce cas la durde de commutation est T~~~ =
) fi.
Cette sdquence de commutation est suivie d'autres phases qui permettent de rdinitialiser le
dispositif pour la commutation suivante. Parmi ces phases, il y a d'abord la commutation (T2-Tl) lorsque Bl et 82 sont en contact simultands avec m2, puis l'inversion de U~ via i~ et T~. Ces phases sont ddtailldes dans le prdcddent article. Elles montrent le fonctionnement dissymdtrique du dispositif du point de vue du fonctionnement du conden- sateurC. Signalons, enfin, que les dimensions des lames et des balais doivent satisfaire certaines conditions gdomdtriques autorisant l'enchainement des sdquences.
3,2 LE SYSTtME SYMfTRIQUE [3], Le montage expdrimental du second systbme d'assis-
tance est donna par la figure 4. Ce dispositif d'aide h la commutation est composd d'un
condensateur entre deux diodes et deux thyristors montds en H. Les deux diodes sont placdes
du c6td de la machine en sdrie avec les balais elles permettent un ddbut de commutation h chaque fermeture de contact. Les deux thyristors contr61ent la charge du condensateur dans les deux sens its travaillent de fagon similaire.
Charge
R L
T2 ~ Tl
D2 Di
D2' T2'
82'
G c,
Bi
Bl' D1' Tl'
Fig. 4. Systkme « symdtrique » dispositif d'assistance.
[« Symetrical » device
: assistance device.]
Le principe de fonctionnement est donna par la figures et comprend les sdquences
suivantes.
. Sdquence I. Le balai Bl est au contact de la lame ml le thyristor T2 est amorcd, et le condensateurc commence h se charger.
. Sdquence II. Lorsque le balai 82 se met au contact de la lame m17, le courant commute de Dl vets D2 grice h une tension U~ croissant d'une valeur U~o voisine de 0 vers une valeur
plus positive. Le courant dans la section sl s'inverse et le balai hi quitte la lame ml h courant nul. Le schdma dlectrique dquivalent h cette commutation est reprdsentd sun la figure 6.
T2
c
D2
~~~~ ~~ "~~~~°~
B~ 81
- m17 m2
iii
ii
i(ji i'i)
Fig. 5. Systdme « symdtrique » principe de la commutation.
[« Symetrical » device principle of commutation.
1
T2 Tl
C i~
~
D2 ~
tic
~~
Fig. 6. Systkme « sym6trique
» sdquence de commutation.
[« Symetrical » device sequence of commutation.]
N° 12 COMMUTATION ASSISTfE DES MACHINES h COURANT CONTINU 2589 Pendant cette sdquence, en ndgligeant toujours l'effet de rdsistance des balais, la tension aux homes du condensateur et son courant sent donnds respectivement par
~~~~~ ~~° ~~~
)
~ ~/~~~~
)
~~~~ ~
'c~t)
-
/ C°S
fi
tit
Uco Sin
fi
t ~5)avec U~o tension du condensateur avant la commutation, i~ inductance de la section en
commutation, c capacitd du condensateur, I courant fourni par la machine.
La fin de la commutation a lieu lorsque le courant i~(t) s'annule sa durde t~~~ est alors
tcom~fiafctar'g ) / (6)
co
~~
. Sdquence III. La commutation de sl est achevde le courant principal est alors achernind par la diode D2 et le thyristor T2.
. Sdquence IV. La tension Uc toujours positive permet d'amorcer Tl. Le thyristor T2 se
bloque et la tension aux homes du condensateur peut changer de signe.
. Sdquence V. Le balai B I atteint la lame m2, alors que 82 est toujours au contact de ml 7.
Une nouvelle commutation commence, le courant commute de D2 vets Dl ; le courant dans s2 s'inverse.
. Sdquence VI. Le courant principal est achemind maintenant par Dl et Tl. Cette sdquence
termine le cycle de fonctionnement et la sdquence suivante sera identique h la premibre.
Les commutations des deux sections sl et s2 se sont effectudes de fagon parfaitement analogue : le systbme est « symdtrique ».
3.3 COMMANDE DES DISPOSITIFS.-Les impulsions des thyristors sont g6r6es par un
ordinateur de type PC grice h une carte industrielle contenant des compteurs programmables (PC TIOIO). La synchronisation est assurde par un codeur foumissant deux signaux. Le
premier, appeld rdfdrence, foumit une impulsion par tour et le second sert d'horloge pour les compteurs, il donne 744 impulsions par tour (744 est un multiple du nombre (31) de sections).
Les compteurs sent utilisds en monostables ddcalds par rapport h la rdfdrence, ils commandent directement les thyristors de l'assistance.
4. R4sultats exp4rimentaux.
Dans les deux expdrimentations prdsentdes, la tension et le courant aux homes de la gdndratrice
sont respectivement 120 V et 50 A avec des balais centrds sun la ligne neutre.
4. I ASSISTANCE AvEc LE SYSTtME BALANCIER. La figure 7 donne les relevds des courants
dans le thyristor T2 (a) et le condensateur C (b) ainsi que la variation de la tension aux homes du condensateur C (c) lorsque la machine est assistde par le systdme balancier. La valeur du
condensateur utilisd est c
=
500 ~LF.
La mesure du temps de commutation et l'dquation (3) permettent d'dvaluer l'inductance
i~ de la section entre Bl et 82. Avec t~~~ =
90 ~Ls, et une tension de charge initiale dgale h
15 V, on trouve i~ = 26 ~LH.
4.2 AssisTANcE AvEc LE SYSTtME SYM#TRIQUE. La figure 8 dome les r6sultats obtenus
lorsque la machine est assistde par le systbme symdtrique. Les relevds reprdsentent le courant
JOURNAL DE PHYSIQUE III T 4, N' 12, DECEMBER 1994
40 A
lTl (a)
40 A
,
'
~~~
~'~~~
lC
IQ V
0.2ms ~'~ ~~~
l. .'
Fig. 7. Systdme « balancier » principales courbes.
[« Swinging » device main curves.
-~-.-...
.-l
'Bl
'
(2)
25A '
' i
'
(..-. ,I,_'__ ]),,,,__ [;. ;.,~-Q-
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i, jb) ' i'
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20 V "'.' )I' ')"'?
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[--.,__.i._,, 11 ~, ], '
-p
,'
'
' '
'
, , , ,
S£queiices , 2, 3 4 , 5 ,
Fig. 8. Systkme « sym6trique » principales courbes.
[« Symetrical » device main curves.
dans le balaiBl (a), le courant dans le condensateur(b), et la tension aux homes du
condensateur (c). Ces courbes suivent les diffdrentes sdquences de fonctionnement du systbme
ddcrites au paragraphe 3. La valeur du condensateur utilisd est c
= 400 ~LF. De mdme que
prdcddemment la mesure de t~~~(140 ~Ls et la tension initiale de charge du condensateur au ddbut de la commutation (U~o voisin de 0 V) donnent h partir de l'dquation (6) une inductance i~ de l'ordre de 20 ~LH.
N° 12 COMMUTATION ASSISTfE DES MACHINES h COURANT CONTINU 2591
4.3 COMPARAISON DES DEUX SYST#MES. La structure des deux dispositifs d'assistance est
diffdrente mars elle conduit dans les deux cas h mettre en parallble un condensateur C et la section i~ en commutation h travers deux interrupteurs semi-conducteurs. Il en rdsulte une
oscillation (i~, C). Dans le cas du systbme balancier, cette oscillation s'effectue
« en mange »
du courant principal I qui ne traverse pas C. Dans Ie cas du symdtrique, I traverse C au ddbut de la commutation, ceci explique [es diffdrences de forme des courbes u~(t).
Pour l'inductance i~ calculde h partir de t~~~ la valeur trouvde est un peu plus forte dans le cas
du balancier que dans celui du symdtrique. Ceci correspond au fait que le nombre de
conducteurs en commutation est deux fois plus grand dans le premier cas. Le phdnombne de commutation est en fait assez complexe et la valeur exacte de i~ doit dtre apprdhendde h l'aide de calculs de champs locaux. Une mesure directe de i~ est dgalement possible du fait de l'accbs
direct h ses deux homes. L'expdrience est rdalisde h l'arrtt en altematif h 50 Hz.
i~ est en fait une inductance de fuite entre la section h commuter et les autres bobinages en couplage avec elle. Dans ce type de problbme la mdthode classique consiste h court-circuiter les autres bobinages et h mesurer l'inductance rdsiduelle entre les homes de la section. En fait il faut tenir compte ici h la fois de la rdsistance r et de l'inductance i~ du circuit entre (es balais car h 50 Hz et h l'arrdt l'effet de la rdsistance est plus grand que celui de l'inductance (r ~ i~ w). Ceci provient des deux raisons suivantes d'une part les variations du courant de
section sont plus lentes que dans les essais en commutation et d'autre part les chutes de tension dans les balais ne se compensent plus.
La mesure est rdalisde en court-circuitant successivement l'inducteur et l'induit. En fait les
mesures ne sont pas sensibles h cette mise en court-circuit. Ceci peut s'expliquer h partir des
remarques suivantes
. pour l'induit son axe magndtique est en quadrature avec celui de la section h commuter, le couplage est donc faible
. pour l'inducteur 16, le couplage est en principe maximum, mais il est
« dtouffd
» par le
fait que la culasse de notre prototype n'est pas feuilletde.
Les mesures effectudes sont donc insensibles aux mises en court-circuit et donnent la mdme
valeur qu'avec l'induit ou l'inducteur en circuit ouvert. On trouve respectivement :
. pour le balancier r~~j = 0,07 fl et i~~~j = 60 ~LH
. pour le symdtrique r~~~
=
0,05 fl et i~~~~ = 40 ~LH.
r reprdsente la rdsistance des balais en sdrie avec celle de la section.
L'indgalitd i~~~j ~ i~~~~ est toujours vdrifide mars les valeurs sont augmentdes. Rappelons
que l'expdrience de la commutation en rotation donne i~
~~j = 26 ~LH et I
~~~~ =
20 ~LH. Ceci
montre que la commutation sun une machine en rotation fait intervenir d'autres phdnombnes
non accessibles par des mesures h l'arrtt. Notons que l'inductance L~ de la machine entre le
pole + et le pole est trds supdrieure h i~, on trouve L~
=
1,2 mH.
Pour finir les diffdrences qui suivent sont relatives b la mise en muvre des deux systdmes.
Dans le cas du balancier la tension d'aide b la commutation aux bornes du condensateur ndcessite une phase de charge et une phase d'inversion et elle est appliqude h une section entre deux lames successives.
Dans le cas du systbme symdtrique la sdquence d'inversion n'existe pas. La tension de commutation est appliqude entre deux lames diamdtralement opposdes et elle est utilisde dans
les deux sens. Ce systbme n'est valable que pour un enroulement du type onduld-sdrie.
5. Conclusion.
Los r6sultats prdcddents montrent la faisabilitd d~une assistance dlectronique h la commutation des machines b courant continu. L'dtude est effectude h l'aide de deux systbmes diffdrents sun