MACHINE A COURANT CONTINU

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1 1) Stator ( ou inducteur ) ACHINE A COURANT CONTINU a) Fonction : il crée un champ magnétique fixe ; il est souvent bipolaire, quelquefois tétrapolaire. On l appelle aussi inducteur. A) STRUCTURE b) Types de stator : Il y a deux techniques pour produire le champ magnétique. 1 type : stator bobiné : les pièces polaires portent des bobinages alimentés en courant continu : c est le courant d excitation noté i e. En faisant varier i e on peut faire varier le champ magnétique ; sur la courbe ci-contre, on retrouve le phénomène de saturation. caractéristique des matériaux ferromagnétiques. B (T) saturation 0 i e ( A) 2 type : stator à aimants permanents : il n y a pas de bobinage ; le champ est donc constant. 2) Rotor ( ou induit ) C est la partie tournante de la machine : il porte des conducteurs associés en série et placés dans des encoches «creusées» à sa périphérie. Il est aussi appelé induit. En fonctionnement, ces conducteurs sont parcourus par un courant continu appelé «courant d induit» et noté I dans la suite de l étude ; ce courant est distribué dans l induit par des «charbons» qui frottent sur des lames de cuivre : ce système,appelé «collecteur», joue un autre rôle important dans le fonctionnement de ce type de machine. Le bobinage d induit est relié à deux bornes de la plaque de la machine. Question 1 : Demander des explications complémentaires au professeur.

2 B) REPRESENTATION SIPLIFIEE ET TYPES DE OTEURS 1) oteur à excitation séparée ou indépendante : Pour ce type de moteur, les bobinages de l inducteur et de l induit sont séparés. INDUCTEUR INDUIT 2) oteur à aimants permanents Il n y a pas de bobinage inducteur INDUIT 3) oteur série Pour ce type de moteur, le bobinage inducteur est en série avec le bobinage d induit ; le courant d excitation est alors le courant d induit I lui-même ; le flux varie en fonction de la charge du moteur. L étude de ce type de moteur est plus complexe mais il est très utilisé en pratique comme moteur de traction ( trains, chariots électriques ) INDUCTEUR INDUIT C) CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DU ROTOR 1) Circuit équivalent U I INDUIT U R I E U est la tension d alimentation ( V ) E est une tension continue appelée «force électromotrice» ( en abrégé «f.e.m.») et notée E. R représente la résistance des bobinages de l induit ( Ω ) I est l intensité du courant d induit (A)

3 Question 2 : En appliquant la loi des mailles et la loi d Ohm dans le circuit équivalent, établir la relation entre U, E, I et R. 2) Propriétés de la F.E.. Courbe E = f ( i e ) : Pour une vitesse donnée et maintenue constante, si on fait varier i e ( et donc le champ magnétique produit par le stator) on obtient une courbe appelée «caractéristique à vide de la machine à courant continu» ; on y retrouve le phénomène de saturation qui caractérise des matériaux ferromagnétiques. Courbe E = f(n) : Pour un courant d excitation i e donné ( champ magnétique constant ) on fait varier n et on relève les variations de E. E (V) E(V) saturation 0 i e ( A) 0 n( tr/min) 3) Expressions de la F.E.. a ) Expression générale E est proportionnelle à n et à i e ( donc à Φ tant qu il n y a pas saturation du circuit magnétique de la machine ). E = K.Φ.Ω Cette relation est valable pour tous les types de moteur à courant continu ( voir partie B) ). E : F.e.m en V Φ : Flux en Wb ( Flux magnétique = champ magnétique surface traversée ) Ω : vitesse angulaire de rotation en rad/s b) Application aux moteurs à flux constant Le flux est constant pour les machines à aimants permanents et pour les machines à excitation indépendante si le courant i e est maintenu constant ; dans ces conditions, on peut écrire : n : fréquence de rotation en tr/s ou en tr/min. 1) Réalisation du montage E = k.n D) ESSAI DU OTEUR EN CHARGE Dans cet essai, on alimente l induit avec une source délivrant une tension continue U et l inducteur avec une source indépendante ( d ou le nom de moteur à excitation indépendante ou séparée qu on donne à ce moteur ); pour charger le moteur, on utilise un frein dont on peut faire varier l effort de freinage. (Couple résistant de moment T R )

4 Sc Rh i e A I A V U T R FREIN n Question 3 : Réaliser le montage en effectuant les opérations suivantes dans l ordre : - repérer sur la plaque les bornes de l inducteur ( excitation ) - faire le câblage du circuit de l inducteur en bleu ; la source Sc est située à l extrémité gauche de la table de manipulation, Rh est un rhéostat de 1000 Ω monté en potentiomètre ( voir l annexe 2 : ce document reste sur la table de manipulation) - réaliser le câblage du circuit d induit en rouge ; pour la réalisation de la source réglable délivrant la tension U, voir l annexe 2. - enfin, pour utiliser le frein et la génératrice tachymétrique, il faudra utiliser le boîtier de mesures mécaniques déjà utilisé pour le TP du moteur asynchrone. FAIRE VERIFIER 2) esures Question 4 : Déroulement de la manipulation : - Vérifier que U = 0 ( alternostat à 0 ) et T u = 0 ( potentiomètre à 0 sur le boîtier de mesures ). - Alimenter l inducteur et régler i e à 0,44 A. - ettre l induit sous tension et augmenter progressivement U jusqu à ce que n = 1500 tr/min ; relever le premier «point» du tableau. - Compléter le tableau : pour chaque point, il faudra «ajuster» U pour que la vitesse reste constante (1500 tr/min ) T u (Nm) ,5 régime nominal I (A) 10 U(V) Question 5 : Tracer la courbe U = f (I) avec les échelles suivantes : U ( 10 V / cm ) ; I ( 0,5 A / cm ) Quel est le rapport entre la courbe obtenue et la relation trouvée à la question 2? Déterminer la valeur de la résistance R de l induit.

5 E) BILAN DE PUISSANCE DE L INDUIT P a P e P u p J P a : puissance électrique absorbée par l induit : C est la puissance absorbée par le circuit équivalent de la page 2 : P a = U.I p fer p méca CHALEUR! En utilisant la relation U = E + R.I on peut écrire : P a = ( E + R.I ).I = (E.I ) +( R.I²) Ce qui veut dire qu une partie de cette puissance est perdue par effet Joule dans la résistance de l induit. Le reste sera transformé en puissance mécanique par l induit et porte le nom de puissance électromagnétique. Question 6 : Calculer P a au régime nominal p J : pertes par effet Joule dans l induit : Question 7 : Calculer p J au régime nominal P e : puissance électromagnétique p J = R.I² P e = E.I C est donc la puissance transformée en puissance mécanique. Une partie de cette puissance mécanique est perdue à cause de deux phénomènes : les pertes mécaniques et les pertes dans le fer. p méca : pertes mécaniques : Comme pour les autres moteurs, elles sont pratiquement proportionnelles à la fréquence de rotation. p fer : pertes dans le fer ou magnétiques : Elles sont dues à la rotation de la masse métallique de l induit «dans» le champ magnétique produit par le stator ( courants de Foucault ) ; on admet qu elles sont proportionnelles à la fréquence de rotation. Contrairement aux pertes dans le fer du moteur asynchrone qui interviennent au stator, les pertes «fer» du moteur à courant continu interviennent au rotor et ont donc un «effet de freinage» sur le moteur et contribuent au couple de pertes du moteur. Remarque : Comme elles dépendent toutes les deux de la vitesse, on regroupe souvent p méca et p fer ; leur somme est notée p c et quelquefois appelée «pertes constantes» ou «collectives» bien que ces deux dénominations ne soient pas satisfaisantes. Pour déterminer la valeur de p c, il faut faire l essai à vide du moteur. P u : puissance mécanique utile Comme d habitude, elle est donnée sur la plaque signalétique du moteur. C est la puissance «disponible sur l arbre». Question 8 : Déterminer p c par un calcul.

6 F) COUPLES 1) Couple électromagnétique a) Expression générale P e T e = E. I = = K.Φ.I Ω Ω T e = K.Φ.I b) Application aux moteurs à flux constant On pose K.Φ = k et il vient : T e = k.i c) Application aux moteurs «série». Pour ce type de moteur, c est le courant d induit I qui traverse le bobinage inducteur et qui crée le flux ; si la machine n est pas saturée, on peut poser Φ = a.i et donc : T e = k.i² 2) Autres couples a) Couple utile b) Couple de pertes T p = Pu T u = Ω p fer + p méca Ω G) RENDEENT 1) oteur à excitation indépendante Il faut tenir compte de la puissance p exc absorbée par l inducteur p exc = u e.i e = r e.i e ² et donc : Pu η = Pa + p exc Question 9 : esurer la résistance r e du bobinage de l inducteur ; en déduire la puissance p exc perdue dans ce bobinage. Calculer le rendement du moteur au régime nominal. 2) oteurs à aimants permanents et «série» Pu η = P a

7 H) CARACTERISTIQUE ECANIQUE DU OTEUR 1) esures Question 10 : Reprendre le montage et le protocole de l essai en charge [ paragraphe D)] Essai n 1 : Régler U à 100 V et compléter le tableau ci-dessous en maintenant cette valeur constante. T u (Nm) ,5 régime nominal I (A) 10 n(tr/min) Essai n 2 : Régler U à 200 V et compléter le tableau ci-dessous en maintenant cette valeur constante. T u (Nm) ,5 régime nominal I (A) 10 n(tr/min) 2) Tracé de la caractéristique Question 11 : Tracer les deux caractéristiques avec les échelles suivantes : 100 tr/min par cm pour n et 1 Nm par cm pour Tu

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