PARTIE THEORIQUE. 2 - Machines à courant continu (moteur et génératrice)

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1 Génératrice et moteur à courant continu PARTIE THEORIQUE 1 - Essais des machines électriques Lorsqu'on construit une machine, on optimise ses paramètres pour obtenir le meilleur rendement pour des conditions de fonctionnement données : ces valeurs (courant, tension, puissance, vitesse...) sont appelées valeurs nominales (elles sont gravées sur la plaque signalétique de la machine). Cette machine est faite pour être utilisée : un moteur doit entraîner un système en rotation (c'est-àdire fournir de la puissance mécanique); une génératrice, un alternateur, doivent transformer de l'énergie mécanique pour alimenter en courant une installation (c'est-à-dire fournir de la puissance électrique). Quand la machine fournit une puissance (dite utile) non nulle, elle est en charge. Si elle ne fournit aucune puissance, elle est à vide : elle consomme seulement ses propres pertes. Les essais à vide, ou rotor bloqué pour les moteurs et en court circuit pour les génératrices, sont des essais à puissance utile nulle, c'est-à-dire à puissance consommée réduite. Ils permettent de mesurer des constantes de la machine pour prévoir comment elle va réagir en charge. Pour une très grosse machine (>1 MW) ce sont les seuls essais possibles, sur le site de construction, qui permettent au constructeur de vérifier qu'elle marchera. L'essai en charge a souvent pour but de mesurer le rendement d'une machine électrique, soit : pour un moteur : le quotient de la puissance utile (fournie sur l'arbre sous forme mécanique à la charge) par la puissance électrique consommée (induit et inducteur) pour une génératrice : le quotient de la puissance électrique fournie à la charge par la somme des puissances mécanique entraînant le rotor et électrique alimentant l'inducteur. 2 - Machines à courant continu (moteur et génératrice) 2-1) Loi d'ohm dans le circuit rotorique Moteur et génératrice sont une seule et même machine : par construction, elle est réversible. La loi d'ohm s'écrit selon 2 conventions : Convention récepteur (moteur) Convention générateur (génératrice) U=E+RI R I I E U E U R U=E-RI E est la fcem (force conter électro-motrice) du moteur ou la fem de la génératrice, R est la résistance interne. Génératrice et moteur à courant continu - 1

2 Un simple changement de signe permet de passer de l'une à l'autre : selon que le courant I est consommé par la machine ou fourni à l'etérieur, la machine fonctionne en moteur ou en génératrice. Le circuit ci-dessus, auquel on applique la loi d'ohm, est le circuit de l'enroulement sur le rotor de la machine. Le rotor est un cylindre en fer feuilleté où l'on a usiné des encoches en périphérie selon ses génératrices. Ce circuit est aussi le circuit de puissance car le couple de la machine est proportionnel au courant I (cf 1-3). La puissance est donc limitée par le courant maimum qu'on peut faire passer du rotor tournant à l'etérieur fie (pour une génératrice) par un contact glissant charbon/cuivre (contact balais/collecteur). La chute de tension due à ce double contact est de l'ordre du volt : eb 1V. Le rotor est aussi appelé induit car il subit l'induction provenant du stator inducteur. 2-2) Le stator inducteur Le stator comporte 2 pièces polaires diamétralement opposées qui enveloppent chacune le rotor sur un angle de π/2. Au moyen d'aimants permanents (pour les petits moteurs) ou d'un circuit inducteur (alimenté par le courant d'ecitation i continu), les pièces polaires deviennent des pôles N et S fies : les lignes d'induction ainsi engendrées se referment par la carcasse du stator et à travers le rotor. Elles ont le plus grand mal à traverser l'entrefer, c'est-à-dire les quelques millimètres d air séparant le stator fie du rotor tournant : prenant le chemin le plus court, elles sont orthogonales au surfaces cylindriques, elles sont donc radiales dans l'entrefer. L'induction Bs est maimum dans l'ae des pôles et pratiquement nulle dans l'espace interpolaire. Le plan où l'induction s'annule (appelé plan neutre) est le plan de symétrie des 2 pôles N et S. ligne (plan) neutre ωt Mr Nord Sud i rotor X +I/2 -I/2 Bs i X b Nord Nord 0 s/2 s Sud 3s/2 2s θ stator entrefer 2-3) Couple du moteur à courant continu Soit Bs l'induction statorique régnant dans l'entrefer au niveau des pôles. Soit Φ le flu de Bs à travers l'entrefer sous une pièce polaire. On alimente le circuit rotorique par un courant I continu traversant n conducteurs logés dans les encoches rotoriques. Par le truchement du système charbons/collecteur, le courant I circule en faisant le tour du rotor : I va d'avant en arrière sous le pôle N statorique et d'arrière en avant sous le pôle S statorique. Cette circulation de I transforme le rotor en dipôle magnétique Mr orthogonal à Bs, Mr restant fie par rapport au stator malgré la rotation du rotor. Sur le rotor s'eerce alors le couple Γ = MrBs qui le fait tourner. C'est un moteur. Génératrice et moteur à courant continu - 2

3 Pour la démonstration on peut considérer les couples des forces de Laplace élémentaires qui s'eercent sur les conducteurs rotoriques. Sous un pôle N statorique ces forces contribuent à un couple de même sens que celles s'eerçant sur les conducteurs rotoriques placés sous le pôle S. Le couple théorique global est donné par Γ =n Φ I/2 π. Il faut en retrancher le couple de pertes pour obtenir le couple utile, c'est-à-dire utilisable pour entraîner une charge en rotation. Le rotor qui voit Bs changer de direction à chaque demi-tour doit être en tôles feuilletées pour minimiser les pertes fer par courants de Foucault : sinon il ne pourrait pas tourner. Critiques du moteur à courant continu : - couple limité par I maimum - espace perdu entre les pôles : pas de couple là où l'induction est nulle - fragilité et coût élevé du système charbons/collecteur. 2-4) FEM de la génératrice à courant continu (ou fcem du moteur) Le stator est toujours inducteur (pôles N et S statoriques, flu Φ de Bs sous les pôles) mais on fait tourner (par un apport mécanique etérieur) le rotor de la machine : chacun des n conducteurs rotoriques passe successivement sous un pôle N puis sous un pôle S. Il est donc le siège d'une fem alternative (loi de Lenz). Par le truchement du système charbons/collecteur (fonctionnant en redresseur mécanique), ces fem peuvent être redressées et mises en série pour donner une fem résultante continue E = n N Φ. N est la vitesse de rotation en tr/sec : c'est la traduction de l'opérateur d/dt de la loi de Lenz. Les 2 formules du couple et de la fem epriment la conservation de la puissance au niveau de l'entrefer. En effet E I = n N Φ I = n Ω Φ I/2π = Γ Ω. E I est la puissance électrique et Γ Ω la puissance mécanique. 2-5) Commande de vitesse d'un moteur à courant continu La loi d'ohm pour le circuit rotorique est U=E + RI + eb. Si le moteur est à vide, le courant I absorbé est négligeable et U E= n N Φ. La vitesse N est proportionnelle à la tension U d'alimentation; c'est le grand intérêt du moteur à courant continu. En inversant U, on peut même le faire tourner en marche arrière. Si R est relativement faible, le moteur en charge absorbant le courant I pour développer le couple n Φ I/2π, tourne pratiquement à la même vitesse qu'à vide puisque R I et eb restent petits devant U E. Ainsi, développant un couple uniquement fonction du courant absorbé (et de Φ), le moteur à courant continu est l'idéal pour la traction électrique (pas d'embrayage, pas de boite de vitesses) : tramway, métro, trolleybus, SNCF... Il lui faut par contre une alimentation en tension continue U variable. Génératrice et moteur à courant continu - 3

4 2-6) Réaction magnétique d'induit Lorsque la génératrice est en charge, par définition elle débite un courant I 0; lorsque le moteur est en charge, il absorbe un courant I 0. Ce courant I qui traverse l'enroulement rotorique crée un champ magnétique moyen Br (parallèle à Mr et orthogonal à Bs). Dans l'entrefer règne une induction résultante B = Br + Bs qui dis symétrise l'induction B(θ) par rapport à l'ae des pôles. Cela a 2 conséquences : la ligne neutre (où B(θ)=0) n'est plus le plan de symétrie mécanique des 2 pôles), elle tourne d'un certain angle puisque B total n'est plus parallèle à l'ae des pôles : il faut faire tourner les charbons pour retrouver toute la fem. si le fer est proche de la saturation, des parties des pièces polaires, soumises à l'induction B la plus intense, peuvent saturer. Le flu Φ par pôle, proportionnel à la valeur moyenne de B sous un pôle, s'en trouvera affaibli. Ainsi la fem et le couple s'en trouvent diminués. N n n + S N + S s s Réaction magnétique de l'induit (moteur, génératrice) 2-7) Le moteur universel Prenons un moteur continu série (par eemple le démarreur d'une voiture) : c'est le même courant I qui alimente le rotor et le circuit statorique créant l'induction Bs donc Φ. Le couple instantané est donc n Φ(I) I /2π. Lorsque I est alternatif, Φ(I) et I changent de signe en même temps et la valeur moyenne de Γ sur une période est non nulle. Le moteur série peut donc fonctionner en alternatif. Même si son stator est constitué de tôles feuilletées, il a beaucoup de pertes qui lui donnent un assez mauvais rendement. C'est le moteur typique du petit électro-ménager, des perceuses, ponceuses...etc. Génératrice et moteur à courant continu - 4

5 Génératrice et moteur à courant continu PARTIE PRATIQUE : Mécano Leybold Cette séance est destinée à vous familiariser avec le fonctionnement d'une dynamo, d'un alternateur ou d'un moteur électrique. Le but des ces séances sur les machines électriques (courant continu et alternatif) est d'apprendre quelques rudiments d'électrotechnique. Il n'est donc pas obligatoire de faire toutes les manipulations proposées dans le T.P. mais bien plus important d'aller à son rythme et de bien assimiler les notions abordées. L'objectif est de répondre à quelques interrogations quotidiennes : Comment marche un alternateur de voiture, une dynamo de vélo, un moteur électrique, un robot ménager? Ces séances sont en particulier l'occasion de revoir les notions de force électromotrice induite (fem), de courant induit... Ce TP est presque complètement descriptif et son compte-rendu sera intéressant s'il comporte assez de schémas ou de graphes illustrant les observations. On se reportera pour le montage du mécano à la documentation Leybold. Il est nécessaire, au terme du TP, de retenir au minimum : la signification des notions de stator, rotor, balais, fem, courant induit, collecteur le fonctionnement d'un moteur à courant continu, d'un moteur universel ce qu'est une génératrice, une dynamo. 1 - Génératrice à vide (dynamo, p 20 doc. Leybold) Le stator inducteur est constitué de 2 aimants permanents "discoïdes" (les pièces polaires sont centrées à l'aide du disque d'aluminium, vérifier que le champ est maimum), l'induit est constitué par le rotor bipolaire. Ce rotor est entraîné par un moteur universel ( 5) alimenté en tension alternative variable au moyen d'un autotransformateur branché sur le réseau. La tension variable permet d'ajuster la vitesse de rotation N(tr/mn ou tr/s). Régler la vitesse de rotation du rotor (N) à 1000tr/mn avec le stroboscope. Observer à l'oscillo la tension entre les balais (ou charbons) connectés sur les bagues (les 2 bagues connectées sont les plus éloignées de l'enroulement, la plus proche est non connectée). Déterminer la vitesse de rotation N. Dessiner la courbe observée, donner l'origine et epliquer à l'aide de schémas l'allure de la fem (force électro-motrice) ainsi produite. La machine, sur les bagues, est une une génératrice synchrone qui sera étudié en détail dans le TP sur l'alternateur. Connecter les charbons au collecteur. Observer la tension entre lames du collecteur selon la position des balais par rapport au champ statorique. Pour 3 positions des balais (0, 45 et 90 par rapport à la direction du champ statorique Bs), dessiner la figure observée à l'oscillo en précisant les instants de Génératrice et moteur à courant continu - 5

6 commutations. Pour quelle position des balais la tension moyenne, lue sur le voltmètre continu, est elle maimum? Pourquoi? On constate ainsi le rôle essentiel de redresseur mécanique joué par le système balais-collecteur dans une génératrice à courant continu : la tension délivrée est redressée (mais loin d'être continue). Monter les balais sur les lames du collecteur, les orienter de façon à avoir une tension continue maimum. Relever la fem E continue en fonction de la vitesse de rotation N( 1000 tr/mn, mesurée à l'oscillo) et tracer E(N). La loi de Lenz est elle vérifiée? Pour une machine à courant continue la loi de Lenz s'écrit : E=n N Φ. Calculer Φ pour N=1000trs/mn (unités, précision?) en prenant : E : tension maimum observée à l'oscillo n : nombre de conducteurs du rotor (n=8012 soit 12 enroulements de 80 spires chacuns) N : vitesse de rotation en tr/s Observer la fem pour le rotor multipolaire 12 lames (balais sur les bagues puis sur le collecteur) : quel est l'intérêt de ce rotor? 2 - Génératrice en charge (c'est à dire qui débite) Rotor bipolaire, ajuster N à 1000tr/mn, orienter les balais pour avoir la tension continue maimum à vide E, puis faire débiter directement la génératrice sur un ampèremètre (cal. 1A) en série avec une résistance de 1 ohm (boite AOIP, I<0.75A). Pourquoi la génératrice ralentit-t-elle? Ramener la vitesse de la génératrice à la valeur qu'elle avait à vide et mesurer au voltmètre continu la chute de tension de E (à vide) à U (en charge). La différence E-U correspond-elle à la chute ohmique ri? (r=1,35ω : résistance du rotor). La loi d'ohm s'écrivant U=E-rI-eB. Peut-on epliquer E-U par la chute de tension sur les balais eb 1V? On eplique cette chute de tension supplémentaire par la réaction magnétique de l'induit. Observer l'allure de la tension à l'oscillo : en charge l'enroulement rotorique devient un dipôle magnétique Mr qui est en moyenne perpendiculaire à Bs. Le champ magnétique résultant n'est donc plus parallèle à Bs. Faire un schéma et indiquer le sens des vecteurs Mr, Bs, Btotal, et le couple de freinage Γ=MrBs, pour un sens de rotation donné. Tourner les balais pour retrouver le courant et la tension continues maimum c'est à dire lorsque les balais sont parallèles au nouveau champ résultant. Noter le sens de cette rotation par rapport au mouvement du rotor. 3 - Rôle du collecteur pour un moteur Monter seul le rotor bipolaire alimenté par les balais en courant continu 1A : soit par les 2 bagues : constater grâce à la boussole que lorsqu'on fait tourner (à la main) le rotor, le dipôle magnétique reste lié au rotor. Génératrice et moteur à courant continu - 6

7 soit par les 2 lames du collecteur : le dipôle magnétique (pôle nord et pôle sud) reste en moyenne orienté dans la même direction (laquelle?) par rapport à la ligne des balais, c'est-à-dire par rapport à un support fie. Il balaie cependant tout un demi plan. Cette propriété (dipôle magnétique Mr gardant en moyenne la même direction) est utilisée dans le moteur à courant continu : le dipôle rotorique baignant dans un champ magnétique Bs créé par le stator (enroulement ou aimants permanents), est donc soumis à un couple MrBs qui entraîne le rotor. Refaire la même epérience avec le rotor multipolaire. Quelle différence de comportement constatezvous? Quel est l'angle balayé cette fois-ci par le dipôle magnétique? Quel en est l'intérêt? 4 - Moteur à courant continu Le stator inducteur est constitué de 2 aimants permanents "discoïdes" (les pièces polaires sont centrées à l'aide du disque d'aluminium, vérifier que le champ est maimum), l'induit est constitué par le rotor bipolaire. Le collecteur de l'induit du rotor bipolaire est alimenté par un courant continu I=1A. On constate ainsi la réversibilité génératrice moteur puisque par construction, c'est la même machine : la génératrice débite du courant I et le moteur en consomme; le couple niφ/2π change de signe avec I : il s'eerce dans le sens du mouvement pour le moteur et freine le mouvement de la génératrice. Rotor immobile : noter le courant consommé I par le moteur. Lâcher le rotor : il démarre, noter le nouveau courant consommé. D'où vient la différence de courant? (Noter qu'à l'arrêt U=rI+eB et qu'en rotation U=E+rI+eB). Tourner les balais pour trouver le maimum du courant consommé ; les balais sont alors parallèles au nouveau champ résultant. Noter le sens de cette rotation par rapport au mouvement du rotor. Epliquer avec un schéma la réaction magnétique d'induit. Relever avec le stroboscope la vitesse du moteur N( 1000tr/mn, vérifier ces valeurs à l'oscillo) en fonction de la tension d'alimentation continue U et tracer N(U). La courbe passe-t-elle par l'origine? En déduire la chute de tension sur les balais eb. Quel est l'intérêt de changer le signe de la tension U d'alimentation? A partir de la pente de N(U), calculer nφ et comparer à la valeur trouvée pour la génératrice. 5 - Moteur universel Construire un tel moteur ( 31 p 39 doc Leybold) le faire tourner par alimentation en courant continu (démarreur de voiture) le faire tourner par alimentation en courant alternatif (électroménager,...) Attention : rester à moins de 10% de la tension maimale de l'autotransformateur Pourquoi ce moteur tourne-t-il? Se rappeler que le couple s'écrit n I Φ/2π. Génératrice et moteur à courant continu - 7