Machines à courant continu

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1 achnes à courant contnu Foncton d usage : La machne à courant contnu peut fonctonner en «moteur» ou en «génératrce» Le moteur à courant contnu est un convertsseur d énerge électrque en énerge mécanque La génératrce à courant contnu est un convertsseur d énerge mécanque en énerge électrque Energe électrque absorbée ; I Transformer l énerge électrque en énerge mécanque Energe mécanque utle C ; Ω Energe mécanque absorbée C ; Ω Transformer l énerge mécanque en énerge électrque Energe électrque utle ; I oteur à courant contnu Génératrce à courant contnu ) Consttuton générale d une machne à courant contnu : Les machnes à courant contnu sont essentellement composées : D un crcut électrque : - nducteur pour créer un flux magnétque - ndut pour créer un courant ou une force selon le mode de fonctonnement de la machne D un crcut magnétque pour canalser le flux magnétque D une parte mécanque pour fxer les dfférents organes les uns par rapport aux autres. ) ocabulare Stator : Rotor : Flasques : Inducteur : Indut : Balas : Collecteur : c est la carcasse (ou le bât ou la culasse) du moteur. Parte fxe de la machne c est la parte tournante de la machne ce sont les deux côtés de la machne. Ils portent les palers de l arbre du rotor. c est le bobnage ou l amant permanent qu produt le champ magnétque. Il est porté par le stator c est le bobnage porté par le rotor ce sont les pèces de graphte qu permettent d almenter électrquement le rotor parte du rotor qu assure la lason électrque entre les conducteurs et les balas 3) Créaton d une Force Electro otrce (FE) ndex : chemn majeur : courant e e N B r S Pouce : champ an gauche

2 S on consdère le conducteur placé sur l ndut qu tourne, ce conducteur coupe les lgnes de champ magnétque. Il est alors le sège d une force électro-motrce ndute (FE) dont le sens est donné par la règle des 3 dogts de la man gauche. S on consdère la spre formée par les conducteurs et, les FE s ajoutent. On peut fermer le crcut sur un récepteur. On a réalsé un générateur de courant. 4) aleur de la FE : E N. n. φ K. n. φ E : force électromotrce (FE) en volts N : nombre de conducteurs de l ndut n : vtesse de rotaton du rotor en tr/s φ: flux magnétque en webers 5) Réversblté : S on fat crculer un courant dans la spre, en présence d un flux magnétque nducteur, une force agt sur les conducteurs et fat tourner l ndut. On a réalsé un moteur à courant contnu. La machne à courant contnu (CC) fonctonne auss ben en génératrce quand elle est entraînée, qu en moteur quant elle est almentée en courant contnu : c est la réversblté. F r Sens de rotaton majeur :force ndex : champ N Couple moteur S Pouce : courant F r an drote 6) Prncpe de fonctonnement du moteur à courant contnu : L nducteur, almenté en courant contnu, produt un champ magnétque dont le flux est canalsé par le stator L ndut du moteur est almenté en courant contnu par l ntermédare des balas et du collecteur L acton du champ magnétque sur les conducteurs d ndut parcourus par un courant donne nassance à des forces qu agssent tangentellement sur les conducteurs de l ndut. (règle des 3 dogts de la man drote: Courant Champ Force) Ces forces sont appelées: forces de Laplace. Elles entraînent le rotor dans un mouvement de rotaton Coupe transversale d un moteur à courant contnu Bobne nductrce 7) Dfférents types de moteur à courant contnu et leur symbole: Selon le mode de branchement de l nducteur, on trouve: Les moteurs dont l nducteur est consttué par des amants permanents. Les moteurs à exctaton séparée (l nducteur peut être almenté séparément par une source d énerge autre que celle de l ndut) Les moteurs à exctaton sére (l nducteur est branché en sére avec l ndut) Les moteurs à exctaton dérvaton (l nducteur en branché en parallèle sur l ndut) ndut amant (nducteur) oteur à amant permanent ndut nducteur oteur à exctaton séparée nducteur ndut oteur à exctaton sére nducteur ndut oteur à exctaton en dérvaton

3 8) Formules relatves aux moteurs: a) Lo des malles Schéma électrque équvalent du crcut d ndut du moteur : L R d L R. E tenson d almentaton de l ndut (en volts) courant crculant dans l ndut (en ampères) R résstance du bobnage de l ndut (en Ohms) L Inductance du bobnage de l ndut (en Henrys) E FCE force contre électromotrce (en volts) d D après la lo des malles : E + R. + L. La tenson couple résstant. d L. n exste que s le courant est varable, c'est-à-dre lors des régmes transtores : démarrage, ralentssement, varaton du En régme établ, le courant est constant, donc la quantté nulle, et l équaton précédente devent : E + R.I Le schéma équvalent de l ndut devent : d L. est I R R.I E Remarque : à l nstant de démarrage, E 0 ; d L 0 I démarrage /R b) tesse de rotaton : E K e.n.φ d où : E n en remplaçant E par - RI, on obtent : K e.φ S φ est constant (cas des moteurs à amants permanents) : E K e. n et RI n K e.φ n E K RI e K e La tenson () applquée à l ndut permet de régler la vtesse de rotaton (n) La constante K e (appelée constante de FE). Elle est donnée par le constructeur. Attenton à son unté, elle peut être donnée en : - olts/radans/seconde (dans ce cas dans la formule EK.n, E est en volts, n en rd/s et dans ce cas : n est noté Ω. ΕΚ.Ω) - olts/tours/seconde (dans ce cas dans la formule EK.n, E est en volts, n en t/s) - olts/tours/mnute (dans ce cas dans la formule EK.n, E est en volts, n en tr/mn) - Ou autre Ω n Ω Caractérstque Ωf() du moteur CC (flux constant) 0 n

4 c) Couple électromagnétque : On applque la relaton : P e C e. Ω Pe E. I or E K.φ.Ω Pe K.φ.Ω.Ι C.Ω sot C K. φ. Ι Dans le cas du moteur à amants permanents Remarques : C e K.φ.I C e K.I P e : pussance électromagnétque en Watts (Pe E.I) C e : couple électromagnétque en N.m Ω : tesse angulare en radans/s Ω.π.n ; (n vtesse de rotaton en tours/s) (K constante de couple. Elle est donnée par le constructeur) Tu n T u I 0 In Caractérstque Tuf(Ι) (flux constant) K e K s les untés sont respectées : /Rad/s pour K e et N.m/A pour K Le couple moteur utle Cu Pu/Ω. Ce Cp (Cu Ce s on néglge le couple de pertes mécanques Cp) dω Le couple moteur utle(cu) couple résstant de la machne entraînée (Cr) + couple accélérateur (Cacc J. ) dω Cu Cr + J. (J moment d nerte de la machne entraînée+ moment d nerte du rotor du moteur) d) Blan des pussances : Pussance absorbée : Pa. I Pertes Joules : Pj Pj ndut +Pj nducteur : Pj(ndut) R.I Pj(nducteur) r. Rrésstance de l ndut Intensté dans l ndut r résstance de l nducteur ntensté dans l nducteur S l nducteur est un amant permanent : Pj nducteur 0 Pussance électrque : Pe E. I Pe Pa R.I Pa - Pj Pe Ce. Ω (Ce couple électromagnétque) Pussance utle (ou pussance mécanque) : Pu Cu. Ω (Cu Couple utle ou couple mécanque. Cu Ce s on néglge les pertes mécanques) Pu Pe pertes méca ; Pu Pa R.I pertes méca. I R.I pertes méca Pertes Joules ndut (+nducteur) Pa.I PeE.IPa-Pj Pu ou Pm Pertes mécanques Rendement : le rendement est défn par le rapport de la pussance de sorte sur la pussance d entrée : η P P sorte entrée En moteur : η Pm Pa. I Pj Pertes. I meca

5 Applcaton : n moteur à courant contnu à amants permanents, est almenté sous 460 volts, son courant nomnal est de A et sa résstance d ndut R,78Ω. Sa vtesse de rotaton nomnale est n 580 t/mn. Pertes mécanques 400W. Questons : - fréquence de rotaton en rd/s? - constante électrque Ke? - pussance absorbée au pont de fonctonnement nomnal? - pussance utle? - rendement? - couple utle nomnal (Cu n )? - courant de démarrage Id - Couple de démarrage (Cd) Réponses : Ω Ke Pa Pu Rendement Cu Id Cd

6 0) Génératrce (appelée auss dynamo): n machne à courant contnu est génératrce lorsque son rotor est entraîné en rotaton par une machne auxlare (éolenne, moteur thermque, chute d eau ) I Pour une génératrce les formules devennent : E + R.I (E Force Electromotrce - FE) (régme établ, on néglge Sot E R.I d L. ) R.I E Pj Pertes Joules R.I Pu (pussance électrque utle).i (E RI).I E.I R.I Pa Pussance mécanque absorbée par la génératrce Pu + Pj + pertes mécanques Schéma électrque équvalent de l ndut d une génératrce à courant contnu (en régme établ) Rendement : η P P sorte entrée Pu Pa. I. I + Pj + Pertes méca Pertes mécanques de la génératrce Pa pussance mécanque absorbée par la génératrce PeE.I pussance électrque Pu.I pussance électrque utle Exemple : ne dynamo est entranée par un moteur desel de pussance utle 5 kw à la vtesse de 500 t/mn La génératrce à amants permanents débte un courant nomnal de 0 A sous 00 volts Les pertes mécanques sont égales à kw Questons : Pussance utle de la génératrce? Pertes Joules? Résstance de l ndut? aleur de E? aleur de K? Rendement? Pu Pj pertes Joules ndut Pj R E K η

7 ) Quadrants de fonctonnement d une CC T+ Couple C ou I (ampères) T+ Ω- Ω+ Ω+ Fonctonnement en générateur (PC.Ω <0) Fonctonnement en moteur (PC.Ω >0) La CC frene la descente de la charge T- 3 4 La CC monte la charge T- Rotaton Ω ou (volts) Ω+ Ω- Ω+ Fonctonnement en moteur (PC.Ω>0) Fonctonnement en générateur (PC.Ω <0) La CC monte la charge La CC frene la descente de la charge ) Almentaton électrque d un moteur à courant contnu a) A partr d un générateur de tenson contnu (Ple ; battere d accumulateur ; Photoples..) Il sufft de reler le moteur aux bornes du générateur : Im + - b) A partr d un générateur de tenson snusoïdale alternatve : (réseau EDF par exemple avec ou sans modfcaton d ampltude) Il faut ntercaler entre le générateur et le moteur un dspostf redresseur (pont de dodes) Exemple : moteur contnu almenter à partr du réseau EDF après abassement de la tenson et redressement : Réseau EDF Adapter l ampltude de la tenson Redresser la tenson. moyen π max oteur Transformateur Pont de dodes

8 Schéma: Im D D4 3 La vtesse de rotaton du moteur est proportonnelle à la valeur moyenne de 3 : EDF 30/50Hz D D3 3moyen. π 3max 3 3 AX 3 moyen 0 ) araton de vtesse : Dans les cas précédents, la vtesse de rotaton du moteur est constante pusque sa tenson d almentaton est constante. Or dans ben des cas l est nécessare que le moteur fonctonne à vtesse varable (exemple : charot de golf ) La varaton de vtesse de rotaton d un moteur à courant contnu est proportonnelle à la valeur moyenne de sa tenson d almentaton. Pour modfer la vtesse de rotaton du moteur l sufft donc de modfer la valeur moyenne de sa tenson d almentaton. a) A partr d un générateur de tenson fxe : La modfcaton de la valeur moyenne est obtenue grâce à un hacheur. (converson d énerge CONTIN-CONTIN) Prncpe du hacheur : n générateur de tenson constante (exemple : battere d accumulateurs) almente une charge (résstance, moteur ) par l ntermédare d un nterrupteur qu s ouvre et se ferme très rapdement. (hacheur) Cet nterrupteur (transstor) est commandé par un sgnal pérodque de pérode T. H I (volts) moyen 0 t t T T Entre 0 et t H est fermé (transstor saturé) T Entre t et t H est ouvert (transstor bloqué) 0 Dans ces condtons : Donc : T T moyen Le rapport est généralement appelé α T T moyen α. En fasant varer le temps T, on fat varer α, donc on fat varer moyen. S T vare de 0 à T, alors moyen vare de 0 à et la vtesse de rotaton du moteur vare de 0 à Ω max.

9 Hacheur sére ; fonctonnement dans le quadrant : D T 0 αt T De 0 à αt, le transstor est saturé ;.. Le courant est crossant, l crcule dans le transstor et le moteur De αt à T, le transstor est bloqué. Le courant est décrossant, l crcule dans le moteur et la dode D Dans tous les cas, est postf ; également ; donc P. est postve. La machne fonctonne en moteur dans le quadrant Hacheur quadrants ; fonctonnement dans le quadrant : (hacheur sére) T D T D 0 αt T De 0 à αt, le transstor est saturé ;.. Le courant est crossant, l crcule dans le transstor et le moteur De αt à T, le transstor est bloqué. Le courant est décrossant, l crcule dans le moteur et le dode D Dans tous les cas, est postf ; également ; donc P. est postve. La machne fonctonne en moteur dans le quadrant Hacheur quadrants ; fonctonnement dans le quadrant 4: (hacheur parallèle) T D T D 0 αt T Le courant est toujours négatf De 0 à αt, le transstor est saturé, le courant passe dans T et le moteur.. la valeur absolue du courant augmente. 0 De αt à T, T est bloqué. Le courant rejont le générateur par la dode D. Le courant est décrossant moyen aux bornes de T : ( T αt ) moyen. ( α) T ; est postf ; est négatf donc P. est négatve. La machne fonctonne en générateur dans le quadrant 4 Le courant ne peut être renvoyé vers le générateur que s celu-c l accepte, ce qu est le cas avec une battere d accumulateurs. Hacheur 4 quadrants ; fonctonnement dans les 4 quadrants : assocaton de hacheurs sére et hacheurs parallèles T D D4 T3 T D D3 T4 Quadrant : T4 condut en permanence ; T hache ; D dode de roue lbre Quadrant : T4 hache (+D) ; renvo du courant vers le générateur par D4 et D Quadrant 3 : T condut en permanence ; T3 hache ; D3 dode de roue lbre Quadrant 4 : T hache (+D3); renvo du courant vers le générateur par D et D3

10 b) A partr d un générateur de tenson alternatve snusodale: La varaton de la valeur moyenne est obtenue grâce à un pont redresseur commandé (pont redresseur à thyrstors) n thyrstor est une dode dont la mse en conducton est commandé par l envo d une mpulson sur une patte appelée la gachette : AK Ia Anode (A) Cathode (K) gachette Schéma: Im TH TH4 3 La vtesse de rotaton du moteur est proportonnelle à la valeur moyenne de 3 EDF 30/50Hz D D3 Chronogrammes: 0 π π 3 Gachette TH Gachette TH4 0 α π π+α moyen ( + cos 3 max 3 α π α peut varer entre 0 et π Donc la valeur moyenne de 3 peut varer entre. 3max et 0. π Donc la vtesse de rotaton du moteur peut varer entre Ω max et 0 ) Applcaton : Sot un moteur à courant contnu : nomnale 4 volts ; n nomnale 500 tr/mn, almenté par un pont redresseur commandé. Tenson de sorte du pont : max 38 volts A quelle valeur faut-l régler α pour que n 950 tr/mn

11 3) Sens de rotaton : Le sens de rotaton d un moteur CC, dépend du sens de la tenson d almentaton applquée à ses bornes. Pour nverser son sens de rotaton l sufft d nverser le sens de la tenson à ses bornes. Deux possbltés : a) A l ade de relas à contacts : +cc Lorsque les contacts du relas sont dans la poston, le moteur tourne dans un sens. - + Lorsque les contacts du relas sont dans la poston, la polarté de la tenson d almentaton du moteur change et le moteur tourne dans l autre sens. Le moteur est arrêté dans les autres cas +cc +cc +cc +cc b) A l ade d un pont à transstors +cc Sur ce schéma les transstors sont symbolsés par des nterrupteurs. Lorsque T et T3 sont fermés, le moteur tourne dans un sens. T T4 Lorsque T et T4 sont fermés la polarté de la tenson aux bornes du moteur est nversée et le moteur tourne dans l autre sens. Le moteur est arrêté s : - T, T, T3, T4 sont ouverts - T, T4 fermés et T, T3 ouverts - T, T3 ouverts et T, T4 fermés T T3 Deux transstors de la même colonne (T et T ou T et T4) ne dovent jamas être fermés en même temps afn d évter un court crcut entre +cc et masse. +cc +cc +cc +cc T T4 T T4 T T4 T T4 T T3 T T3 T T3 T T3

12 balas Inducteur à amants permanents Indut bobné et collecteur