Chapitre 6 : Le moteur à courant continu CHAPITRE N 6

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1 CHAPTRE N 6 TTRE: MOTEURS A COURANT CONTNU FONCTON : Convertir l énergie ( 2.3.6) Convertir l énergie électrique en énergie mécanique moteur à courant continu_v2k5.doc COMPETENCES VSEES: -Justifier le choix du convertisseur d énergie,. - Analyser le circuit de uissance, et identifier les éléments externes des boucles de rétroaction. - Vérifier à l aide de mesurages ertinents les erformances attendues Les machines à courant continu sont réversibles ; de génératrices elles euvent devenir moteurs. À l'heure actuelle, les génératrices sont eu utilisées, en revanche, les moteurs sont très emloyés dans les domaines qui nécessitent une vitesse variable, la traction électrique (T.G.V.), le levage (ascenseur). 1 - RAPPELS D ELECTROTECHNQUE 1.1 Princie : a) Création d'une force électromotrice : Si l'on considère le conducteur 1 lacé sur l'induit (Fig. 1) qui tourne, ce conducteur coue les lignes de cham, il est alors le siège d'une force électromotrice (f.é.m.) dont le sens est donné ar la règle des trois doigts de la main gauche (fig. 2). Si l'on considère la sire conducteur (1) et conducteur (2) diamétralement oosés, les deux forces électromotrices s'ajoutent, on eut fermer le circuit. On a réalisé un générateur de courant. b) Valeur de la f.é.m : Elle est donnée ar la relation d'électrotechnique : E = force électromotrice en volts N = nombre de conducteurs de l'induit n = vitesse de rotation en tours/s Φ = flux inducteur en webers = nombre de aires de ôles E = a Nn..Φ Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monlaisir Page 1

2 a = nombre de voies d enroulements 1.2 Réversibilité : Si on fait asser un courant dans la sire (fig. 1), en résence du flux inducteur, une force agit sur les conducteurs et fait tourner l'induit.(fig. 3). On a réalisé ainsi un moteur à courant continu. La machine à courant continu fonctionne aussi bien en génératrice quand elle est entraînée, qu'en moteur quand elle est alimentée en courant continu : c'est la réversibilité. 1.3 Force contre électromotrice (f.c.é.m) : Un moteur en rotation résente une force contre-électromotrice, La formule de la force contre-électromotrice est: E ' = a Nn.. Φ E = force contre électromotrice en volts N = nombre de conducteurs de l'induit n = vitesse de rotation en tours/s Φ = flux inducteur en webers = nombre de aires de ôles a = nombre de voies d enroulements 1.4 Loi d Ohm aliquée aux générateurs : La loi d'ohm s'alique selon le schéma (fig. 4). U = E' + R. U = tension aux bornes du moteur en volts E = force contre-électromotrice en volts = courant absorbé en amères R = résistance interne du moteur en ohms 1.5 Vitesse de rotation : A l aide des relations récédentes, E a Nn et U = E' R. on eut écrire : n = E' a N.Φ d où a U R. n = N.Φ Remarque : Lorsque le flux inducteur s annule, la vitesse tend vers l infini; ar conséquent, il ne faut jamais alimenter l induit d un moteur à courant continu sans l existence d un courant d excitation. 1.6 Puissance : a) Puissance électrique utile : La uissance électrique est : ou encore P a Nn E e =.. Φ. = '. P e = E. Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monlaisir Page 2

3 avec P e : en Watts E : en Volts : en Amères b) Puissance électrique absorbée : C est la totalité de la uissance rise au réseau. P = U. 1.7 Coule moteur : C est le coule mesuré sur l arbre, et donné ar la formule P = T. W T = coule moteur en Newton. mètre (N.m) W = vitesse angulaire en radians ar secondes (rad/s) P = uissance mécanique en Watts (W) P T a Nn.. Φ. e N = = =.. Φ. Ω 2. π. n a 2. π N Si on ose :k =. a 2. π On obtient T = k. Φ. Le coule utile est inférieur du fait des ertes mécaniques 1.8 Rendement : Le bilan des uissances fait aaraître le rendement d un moteur à courant continu, en tenant comte des ertes fer (dans le circuit magnétique), des ertes joules (résistance des enroulements), des ertes mécaniques (frottements).(fig. 5) P. utile η = = P. absorbée E'. + ertes U. 2 - CONSTRUCTON 2.1 Constitution générale : Une machine à courant continu est constituée de la même façon qu elle soit génératrice ou moteur, elle ossède : (Fig. 5) - Un circuit magnétique our canaliser le flux, - Un circuit électrique inducteur our roduire le flux, et un circuit électrique induit, - une artie mécanique our fixer les différents organes les uns ar raort aux autres. voir la Fig. 5 qui rerésente une vue éclatée d une machine à courant continu. Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monlaisir Page 3

4 2.2 Circuit magnétique : Le circuit magnétique se comose de deux arties, - L inducteur, qui roduit le flux qui constitue la artie fixe - L induit, mobile en rotation, qui est le siège de la force magnétomotrice, avec entre ces deux arties l entrefer (Fig. 7) (Fig. 7) Trajet du flux magnétique. a) Pôles inducteurs : Le noyau du ôle eut être massif car il est arcouru ar un flux constant. Souvent, on réfère réaliser le ôle en un assemblage de tôles magnétiques (acier à 3,5 % de silicium).(fig. 7) (Fig. 7) Partie magnétique d un ôle inducteur b) Pôles auxiliaires ou de commutation: Placés entre les ôles rinciaux, le flux qu'ils roduisent facilite la commutation.. ls suriment les étincelles aux balais, ces étincelles étant roduites ar le renversement du sens du courant dans les sections court-circuitées ar les balais. L'enroulement de ces ôles est en série avec l'induit. c) La carcasse ou culasse : Elle assure simultanément deux fonctions: - Magnétique: Elle ermet aux lignes de force du cham magnétique de se refermer, d'où une section minimale à resecter et l'emloi de matériaux tels que l'acier moulé ou l'acier forgé. - Mécanique: C'est le bâti de la machine sur lequel viennent se fixer les ôles, les flasques, la laque à bornes, etc... d). Circuit magnétique tournant : Le flux est variable à chaque tour, d ou la nécessité de feuilleter le circuit magnétique our diminuer les ertes ar hystérésis et courants de Foucault (tôle à 3 % de silicium, éaisseur 0,35 mm). 2.3 Circuit électrique : a) Bobines inductrices : Elles sont destinées à roduire le flux inducteur. La uissance d'excitation est d'environ 2 à 3 % de la uissance totale; elle eut aller jusqu'à 5 % our les etites machines (Fig. 10) On distingue l'enroulement d'excitation monté en dérivation sur l'induit (excitation shunt), grand nombre de sires de fil fin, de l'enroulement d'excitation en série, etit nombre de sires, de gros fil. Remarque :Ne as confondre ôles de commutation et ôles de comensation, ces derniers ayant our but de combattre la réaction magnétique d'induit. b) Enroulement induit l se comose d'un certain nombre de sections formées de sires dont les extrémités sont reliées à deux lames consécutives du collecteur. c) Le collecteur : l assure la liaison à l aide de balais entre les conducteurs tournants et le circuit extérieur fixe et il transforme le courant alternatif induit dans les bobinages en courant continu. Les balais assurent un contact glissant entre le collecteur entraîné en rotation et les conducteurs allant à la laque à bornes. Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monlaisir Page 4

5 3 - CARACTERSTQUES L'étude comarative des courbes qui traduisent grahiquement les relations entre les variables: courant absorbé, vitesse et coule moteur fait aaraître des différences entre les moteurs à excitation dérivation,et série. 3.1 Caractéristiques de vitesse: n = f () Cette caractéristique corresond à l'équation de fonctionnement: E' U R. n = = k. Φ k. Φ avec k = N a 3.2 Caractéristique de coule : T = f() Le coule est roortionnel au flux et au courant absorbé, Equation : N T = k. Φ. Ι avec k' = a 2. π 3.3 Caractéristique mécanique : T = f(n). Elles relient les grandeurs mécaniques mesurées sur l arbre moteur. Ces valeurs sont données Pour une valeur du courant 3.4 Autres caractéristiques : Un moteur à courant continu est caractérisé ar : - la uissance nominale en kw - la tension d induit, cette tension est en relation avec la tension du réseau monohasé ou trihasé, le moteur étant souvent alimenté ar un ont redresseur. - la vitesse de rotation,(mini et maxi) - le coule (constant,ou mini et maxi) - l alimentation du circuit inducteur L alimentation à tension variable our la vitesse variable des moteurs sera étudié en classe terminale. 4 - DEMARRAGE DES MOTEURS 4.1 Princie : Le courant absorbé ar un moteur électrique en rotation est donné ar la loi d Ohm : U E' U = E + R. d ou = R a) A la mise sous tension, la f.c.e.m. est nulle (moteur arrêté).l intensité est très élevée, uisque seule la résistance de l induit limite le courant, on a = U / R b) Pour limiter le courant à une valeur comrise entre 1,2 n < d < 2 n, on monte une résistance en série dans le circuit. La valeur de cette résistance est tirée de la relation : U U R. d d = d ou Rh = R+ Rh d 4.2 Démarrage manuel : Le rhéostat de démarrage est toujours au maximum de résistance au moment du décollage du moteur. Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monlaisir Page 5

6 4.3 Démarrage à contacteur : a) Moteur à excitation en dérivation (fig. 22) voir le schéma du circuit de uissance du moteur dérivation. b) Moteur à excitation série (fig. 21) : voir le schéma du circuit de uissance du moteur série. l ne faut en aucun cas couer le circuit d excitation, surtout si la machine est à vide, car il y à risque d emballement 5 - EMPLO ET DENTFCATON D UN MOTEUR 5.1 Domaines d emloi : a) Moteur à excitation en dérivation : Ce moteur est caractérisé ar une vitesse constante, il est le lus souvent utilisé en excitation indéendante, avec une régulation de vitesse. b) Moteur à excitation série : Ce moteur a un très fort coule de démarrage, il convient très bien our toutes les alication de traction électrique, ar contre il résente des risques d emballement à vide. 5.2 dentification : On relève sur la laque signalétique les indications analogues à celle des moteurs trihasé, avec des articularités qui sont des Symboles électriques - Puissance en kw, et vitesse en tr/min ou min -1 - Tension et intensité d induit - Tension et intensité d excitation Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monlaisir Page 6

7 Fig. 21 Schéma du circuit de uissance du moteur série Fig 22 Schéma du moteur // ou dérivation Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monlaisir Page 7