LA MACHINE A COURANT CONTINU

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1 LA MACHNE A CORAN CONN 1. RÉSENAON 1. Définition ne machine à courant continu est un convertisseur d énergie. Elle eut fonctionner en moteur ou en génératrice, on dit que c est une machine réversible. Quand elle fonctionne en moteur, l énergie électrique est transformée en énergie mécanique. Energie électrique fournie Moteur ertes d énergie Energie mécanique utile Quand elle fonctionne en génératrice, l énergie mécanique est transformée en énergie électrique. Energie mécanique fournie Génératrice ertes d énergie Energie électrique utile L énergie mécanique est résente sous la forme d un coule de moment tournant à la vitesse angulaire Ω. L énergie électrique, elle, se manifeste sous forme de tension et de courant continus. La est très utilisée comme moteur à vitesse variable dans une gamme de uissance allant de quelques milliwatts à quelques mégawatts. 2. Comosition La machine comorte un stator comosé d un circuit magnétique comrenant une couronne annulaire massive ou feuilletée à laquelle sont fixés des ôles saillants. Ces ôles sont de deux tyes : - Les ôles inducteurs : Généralement feuilletés ortent un ou lusieurs enroulements d excitation alimentés en continu. 1

2 - Les ôles auxiliaires ou de commutation : Feuilletés ou massifs disosés entre les ôles inducteurs selon les axes interolaires dits axes neutres, ils ortent un enroulement connecté en série avec l enroulement rotorique. ls servent à comenser la réaction magnétique de l enroulement rotorique et à améliorer la commutation. Le rotor ou induit comorte un circuit magnétique feuilleté muni d encoches régulièrement distribuées à la érihérie. Les conducteurs logés dans les encoches sont connectés en série et forment un enroulement fermé sur lui-même. On eut rencontrer deux tyes de : - la source de cham magnétique est constituée d aimants ermanents il n y a qu un seul bobinage : l induit. - la source de cham magnétique est un courant il y a deux bobinages : l inducteur et l induit. Rotor (induit) Encoches our les conducteurs de l induit Stator (inducteur) Bobines d excitation rem : une machine est dite biolaire si elle comorte un ôle nord et un ôle sud (deux ôles) tétraolaire 4 ôles hexaolaire 6 ôles 3. Rerésentation schématique Entrefer Collecteur et balais i ex u ex nduit nducteur 2

3 2. RNCE DE FONCONNEMEN 1. Fonctionnement en moteur L inducteur crée un cham magnétique constant. L induit, alimenté ar un courant continu et longé dans ce cham magnétique est donc soumis à une force électromagnétique qui le met en rotation autour de son axe. 2. Fonctionnement en génératrice L inducteur crée un cham magnétique constant. L induit n est as alimenté. ar contre, il est entraîné dans un mouvement de rotation ar un autre moteur coulé sur son axe. l y a alors aarition d une force électromotrice (f.é.m.) induite à ses bornes (cf. induction électromagnétique) et donc d un courant induit. 3. Force électromotrice induite On démontre que la f.é.m. induite qui aaraît aux bornes de l induit eut s écrire : E k. Φ. Ω E en Volts k est une constante qui déend de la géométrie de la machine. Φ est le flux utile sous un ôle de la machine exrimé en Weber (Wb). Ω est la vitesse de rotation du rotor exrimée en rad.s -1. On eut encore l écrire sous les formes suivantes : E N.n.Φ N est le nombre de conducteurs actifs de l induit. n est la fréquence de rotation du rotor exrimée en tr.s -1. ou E. N. n.φ a est le nombre de aires de ôles du stator. a est le nombre de voies d enroulement. Déf. : L ensemble des conducteurs arcourus our aller d un balai à l autre constitue une voie d enroulement. 3

4 rem : le flux utile sous un ôle Φ déend du courant d excitation qui traverse le stator. Dans le cas d une machine à aimants ermanents ou d une machine dont le courant d excitation est constant, ce flux est constant et on eut alors écrire : E K. Ω o u E K' n. 4. Moment du coule électromagnétique Si l induit est traversé ar un courant et qu il résente à ses bornes une f.é.m. E, il reçoit une uissance électromagnétique : em E. D arès le rincie de la conservation de l énergie, cette uissance est égale à la uissance déveloée ar le coule électromagnétique tournant à la vitesse angulaire Ω, on a donc : em. Ω E. avec E k. Φ. Ω d où e m k.φ. ( em en N.m) 5. Commutation On aelle commutation le rocessus conduisant au changement du sens de courant dans un conducteur d induit lorsqu il franchit l axe magnétique défini ar la osition des balais. 6. Modélisation a. Fonctionnement moteur L induit eut être modélisé ar son ME (l induit est alimenté et reçoit un courant ) : R On a alors : E E R. 4

5 b. Fonctionnement génératrice L induit eut être modélisé ar son ME (l induit roduit un courant induit ) : R E 3. DFFÉRENS MODES D EXCAON 1. Excitation séarée ne machine est dite à excitation séarée quand l excitation est fournie ar une autre source que la machine elle-même. i ex u ex 2. Auto-excitation nduit nducteur ne machine est dite auto excitée quand elle roduit elle-même son excitation. l existe différents tyes d auto excitations qui se différencient selon la façon dont l enroulement inducteur est connecté à celui de l induit. a. Excitation shunt (en dérivation) Les machines à excitation shunt sont munies d un enroulement connecté en arallèle avec l induit. i ex nduit nducteur 5

6 b. Excitation série Les machines à excitation série sont munies d un enroulement connecté en série avec l induit. 4. FONCONNEMEN EN GÉNÉRARCE 1. Fonctionnement à vide (0A) A vide, 0A ce qui entraîne que E. La caractéristique à vide est la courbe Ef(i ex ) à vitesse de rotation constante. rem : comme 0A, la ne fonctionne ni en moteur, ni en génératrice, cette courbe sera donc utilisable quelque soit le fonctionnement de la. E Ω cstte i ex 2. Fonctionnement en charge Schéma équivalent : R E R C Equations des caractéristiques : E R. Charge R C. 6

7 héoriquement, le oint de fonctionnement est le oint de concours de ces deux caractéristiques (cf. courbe). Charge Or la caractéristique réelle de la est celle tracée en rouge sur la courbe. our de fortes valeurs de l intensité du courant d induit, il y a aarition d une diminution de la f.é.m. de la : E C < E 0. Ce hénomène est aelé réaction magnétique de l induit. rem : on eut atténuer, voire même surimer cette réaction magnétique de l induit grâce à un enroulement de comensation lacé au stator, au voisinage des ôles inducteurs et arcouru ar le courant d induit. 5. BLAN DES SSANCES RENDEMEN 1. Fonctionnement en moteur a. Bilan des uissances On se limitera au cas du moteur à excitation indéendante. f m nduit J Je e nducteur 7

8 Le moteur reçoit : - à l induit :. - à l inducteur : e u ex.i ex rem : e est entièrement convertie en chaleur. Le rincie de conservation de l énergie imlique donc : e r t e s est la uissance utile fournie à la charge entraînée ar la..ω Où est le coule utile.! ertes ne tient as comte de e! b. Nature des différentes ertes - Les ertes ar effet Joule dans l induit : J 2 R. - Les ertes mécaniques : m (elles sont notamment dues aux frottements et sont roortionnelles à n) - Les ertes dans le fer : f (elles regrouent les ertes ar hystérésis et ar courants de Foucault et varient avec B et n) e r t e Rs. 2 m f On a donc les relations suivantes : e m J. R ² E. ). Ω u e m ( m f 8

9 c. Rendement l est donné ar : η e rem : our les à aimants ermanents, e 0W. 9

10 d. Méthode des ertes séarées Les ertes ar effet Joule euvent être calculées our un courant donné arès avoir mesuré la résistance R de l induit à chaud. L ensemble des ertes mécaniques et ertes dans le fer ( m f ) est fourni ar un essai à vide dans lequel ces ertes ont la même valeur que lors du fonctionnement en charge révu. our cela, il faut que les deux essais soient réalisés à la même fréquence de rotation et même excitation. Essai à vide : 0 0 i ex u ex Ω 0N.m. 0 0 R. 2 0 m f R. 2 0 ( m ) f 0 ( 0) ( 2 m f ) 0. 0 R. 0 E0. 0 On aelle ertes constantes la somme des ertes mécaniques et des ertes fer : C ) ( m f e. Coule de ertes, coule utile On eut écrire : em em em. Ω ( C Ω C m. Ω C f ) 10

11 . M e M. Ω e ( ) em M m f u em J. erminale Génie Électrotechnique Chaitre 4 On fait corresondre à c un coule de ertes tel que : C. On a alors : Ω e m 2. Fonctionnement en génératrice i ex u ex Ω La génératrice reçoit : Elle fournit : On a alors les relations suivantes : 11

12 3. Caractéristique (n) a. Moteur à excitation séarée u n 6. MACHNE À EXCAON SÉRE 4. Modèle équivalent de hévenin l est identique à celui d une à excitation séarée mais dans la résistance, on tiendra comte de la résistance de l inducteur : R R induit R inducteur R E 5. Bilan de uissances f Je m abs nducteur nduit J u abs je j f - m Remarques : - Les formules donnant la f.é.m. et le moment du coule électromagnétique reste identiques mais il faut faire attention au fait que le flux Φ déend maintenant du courant d induit. - D arès la relation E R. k.φ.ω R., on obtient Ω R. avec Φ déendant de. Donc quand devient faible, Φ le k. Φ 12

13 devient aussi et donc Ω devient très grand : c est ourquoi on démarre ce moteur en charge our éviter l emballement. - De même on a em k.φ. avec Φ déendant de. Au démarrage (moteur chargé) le courant est imortant donc le moteur à excitation série ossède un coule électromagnétique et un coule utile imortants au démarrage. (avantage our la traction) 6. Démarrage et arrêt Câbler le moteur et sa charge. Démarrage : - circuit d alimentation du moteur hors tension, on charge celui-ci. - Augmenter deuis 0 V la valeur de la tension d alimentation. Arrêt : - Diminuer jusqu à 0 V la tension d alimentation du moteur et mettre le circuit d alimentation hors tension, le moteur demeurant chargé. - Annuler la charge du moteur. 7. Caractéristique u (n) u rem : our ce moteur, il ne faudra donc as le démarrer sans lui ooser un coule résistant sous eine d emballer le moteur. n 13