COURS : LES MACHINES A COURANT CONTINU

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1 BTS ATI1 CONSTRUCTION ELECTRIQUE COURS : LES MACHINES A COURANT CONTINU Durée du cours : 2 heures Objectifs du cours : Acquérir les connaissances de base sur les actionneurs électriques. Capacités : Analyser un document technique, une solution technique (C2). Connaissances nouvelles : Les actionneurs électriques (S871) : - Technologie succincte et utilisation des moteurs à courant continu Prérequis : Lois fondamentales de l'électricité et de l'électromagnétisme.

2 BTS ATI1 CONSTRUCTION ELECTRIQUE 1/4 LES MACHINES A COURANT CONTINU Les machines à courant continu sont des convertisseur d'énergie réversibles : électrique CONVERTIR L'ENERGIE mécanique Pertes mécanique CONVERTIR L'ENERGIE électrique Pertes MOTEUR GENERATEUR On utilise aujourd'hui essentiellement ces machines en moteur. La fonction générateur est utilisée pendant les phases de récupération d'énergie (freinage) 1. PRINCIPE et CONSTITUTION Les conducteurs du rotor, parcourus par le courant d'induit Ia et placés dans le champs magnétique produit par l'inducteur, sont soumis à des force de LAPLACE formant un couple. I a F S U a X N INDUCTEUR (Stator) : Partie fixe de la machine. Il est constitués par les pôles magnétiques permettant la création d'un FLUX MAGNETIQUE qui se referme par le circuit magnétique constitué par la carcasse de la machine. Les pôles sont réalisés soit par des bobinages parcourus par un courant d'excitation Ie, soit par des aimants permanents (Ferrites, Céramiques, Samarium - Cobalt). INDUIT (Rotor) : C'est la partie tournante de la machine. Dans les encoches sont logés des conducteurs parcourus par des courants soumis au champ magnétique ce qui engendre une force produisant un couple. COLLECTEUR : Formé d un ensemble de lames de cuivre raccordées aux conducteurs du rotor, isolées latéralement les unes des autres et disposées suivant un cylindre en bout de rotor. Deux balais portés par le stator assurent le contact avec le collecteur. Pôles auxiliaires (ou pôles de commutation) : Améliore la commutation en supprimant la f.e.m. de commutation (suppression des étincelles entre les balais et le collecteur) Enroulement de compensation : Compense la réaction d'induit (distorsion des lignes de champs entraînant des risque d'arc entre les lames du collecteur.

3 BTS ATI1 CONSTRUCTION ELECTRIQUE 2/4 2. SYMBOLES et SCHEMA 2.1. SYMBOLES : Excitation séparée Aimants permanents Excitation série Utilisation standard Robotique champ constant élevé Traction électrique fort couple au démarrage 2.2. SCHEMA EQUIVALENT : Ie Ra L Ia Ue Re E Ua 3. RELATIONS FONDAMENTALES 3.1. NOTATIONS : Pm : Puissance utile sur l arbre (en W) Φ : flux inducteur (en Webers) Tm : couple utile sur l arbre (en N.m) E : force électromotrice (en V) Ua : tension d induit (en V) Ue : tension d excitation (en V) Ia : courant d induit (en A) Ie : courant d excitation (en A) n : fréquence de rotation (en tr.s -1 ) Ω : Vitesse angulaire (en rad.s -1 ) p : Nb. de paires de pôles N : Nb de conducteurs actifs de l'induit a : Nb. de paires de voies d'enroulement Pem : Puissance électromagnétique Tem : Couple électromagnétique p N K : coefficient de couplage électromagnétique = 2 π a Kt : coefficient de couple (N.m/A) Ke : constante électrique (V/rad/s) 1.2. RELATIONS ELECTRIQUES : p N E = n Φ = K. Φ. Ω a Ua = E + Ra. Ia En négligeant la saturation du circuit magnétique : Φ = k Ie 1.3. RELATIONS MECANIQUES : a.) Couple : Tem = K. Φ. Ia b.) Puissance :

4 BTS ATI1 CONSTRUCTION ELECTRIQUE 3/4 Pem = E. Ia = Tem. Ω Pm = Tm. Ω avec Ω = 2. π. n c.) Vitesse : Ω = K E Φ Ua = K Ra Φ Ia 1.4. FLUX CONSTANT : inducteur à aimants permanents ou courant d'excitation constant K. Φ = Kt = Ke = C te E = Ke. Ω! E est l'image de la vitesse Tem = Kt. Ia! Ia est l'image du couple 1.5. RENDEMENT : P absorbée P em P m Pa=Ua.Ia+Ue.Ie Pertes Joule : Pj=Ra.Ia²+Ue.Ie Pem=E.Ia =Tem.Ω Pertes Collectives : Pc=Pfer+Pméca Pm=Tm.Ω Les pertes fer sont l'addition des pertes dues aux courants de Foucault (limitées en feuilletant les parties ferromagnétiques soumises à un champ) et des pertes dues au phénomène d'hystérésis (limitées en utilisant des tôles en acier au silicium). Pm Tm Ω Rendement : η = = Pa Ua Ia + Ue Ie 4. MOTEUR A EXCITATION SEPAREE 4.1. VITESSE : Ua Ra Ia Ω = K Φ A excitation constante et Ua constant : Ω Ω 0 I 0 I n Ia En pratique la chute de tension Ra.Ia représente environ 2% pour les gros moteurs et de 5 à 10% pour les petits moteurs (pour Ua=Unominal) Il y a deux possibilités pour agir sur la vitesse : Action sur Ua : si Ua " # Ω " et Pem " Action sur Φ $ # Ω " mais Tem $ ce qui est représenté sur la caractéristique suivante : T P P = f(ω)

5 BTS ATI1 CONSTRUCTION ELECTRIQUE 4/4 Une diminution excessive de Φ (en particulier en cas de coupure du circuit d'excitation) entraîne un emballement du moteur COUPLE : Tem = Kt.Ia = K.Φ.Ia Le couple est proportionnel à Ia jusqu'à environ 1,3.T nominal Les moteurs tolèrent en général des couples de démarrage entre 1,2 et 1,9 T nominal T T n I n 1,2.I n 2.I n I 4.3. DEMARRAGE : A l'instant t0 du démarrage on a Ω = 0! E = Ke. Ω = 0! Ua = E + Ra.Ia = Ra.Ia! Ia = Ua/Ra Ra = résistance de l'induit = quelques dixièmes d'ohms à quelques ohms! Ia très élevé au démarrage. Les moteurs tolèrent en général I démarrage entre 1,2 et 2 Ia nominal Il faut donc utiliser un dispositif de démarrage : rhéostat de démarrage démarreur électronique

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