CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU

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1 CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Les machines à courant continu sont réversibles. Elles peuvent devenir génératrices ou moteur. Energie mécanique GENERATRICE CONVERTIR L ENERGIE Energie électrique Energie électrique MOTEUR CONVERTIR L ENERGIE Energie mécanique Les machines à courant continu font partie de la famille des actionneurs (éléments qui produisent une action). Ceux-ci transforment une énergie mécanique en une énergie électrique créant ainsi un courant continu ou transforment une énergie électrique en une énergie mécanique créant un mouvement de rotation. Les moteurs à courant continu sont employés dans les domaines de la traction, du levage et du positionnement pour les fortes puissances. Il est également employé, lorsqu un système utilise une source d énergie autonome(pile ou batterie). Les moteurs de faible puissance et les micromoteurs à courant continu sont souvent utilisés dans ce cas. Moteur forte puissance à courant continu Moteur faible puissance à courant continu Micromoteur à courant continu COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 1 / 10

2 SYMBOLE M M Moteur à courant continu à aimant permanent Moteur à courant continu excitation à électroaimant PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Fonctionnement en génératrice Le moteur à courant continu est composé de 2 parties : - La partie fixe : l inducteur (le stator) - La partie tournante : l induit (le rotor) Si l on considère le conducteur 1 placé sur l induit qui tourne, ce conducteur coupe les lignes de champ, il est alors le siège d une force électromotrice (f.è.m) dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main gauche. Si l on considère la spire formée par le conducteur (1) et le conducteur (2) diamétralement opposés, les deux forces électromotrices s ajoutent, on peut fermer le circuit. On a réalisé un générateur de courant. Schéma de principe Valeur de la f.é.m Elle est donnée par la relation d électrotechnique : Main gauche générateur La force électromotrice E est la tension produite par le rotor ( l'induit ) lors de sa rotation dans le flux magnétique produit par la partie fixe ( l'inducteur ). Elle dépend des éléments de construction de la machine. E = p a N n Ø P : nb de paire de pôles de l'induit N : nb de conducteurs de l'induit a : nb de paires de voies d'enroulement n : fréquence de rotation (t/s) Ø : flux en Webers (Wb) COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 2 / 10

3 Réversibilité Si on fait passer un courant dans la spire, en présence du flux inducteur, une force agit sur les conducteurs et fait tourner l induit. 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. RELATIONS D ELECTROTECHNIQUE RELATIVES AU MOTEUR Schéma équivalent d un moteur à courant continu I + U r E r r xi E E u OU _ Induit ( Rotor) Inducteur ( stator ) A partir du schéma équivalent, on peut écrire : Loi d Ohm E = U R I E : force contre électromotrice (V) U : tension d'alimentation d'induit (V) R : résistance de l'induit ( Ω ) I : courant circulant dans l'induit (A) R : résistance de l'induit ( Ω ) Un moteur en rotation présente une force contre-électromotrice, la loi d Ohm s applique alors selon le schéma : U = E + R I Vitesse de rotation A l aide des relations précédentes, on peut écrire : n = U R I N Ø U = Tension du réseau en volts ( V ) R = Résistance interne en ohms ( Ω ) I = Courant absorbé en ampères ( A) N = Nombre de conducteurs Ø = flux inducteur en Webers ( Wb ) COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 3 / 10

4 Le moteur courant continu transforme l énergie électrique apportée par le courant continu, en énergie mécanique. Pertes Joules Pertes fer Pertes mécanique s Grandeur d entrée Puissance absorbée (Pa) Puissance électrique Pa = U.I Pa = UI 3 cos Puissance Grandeur de sortie Puissance utile (Pu) Puissance mécanique P = C.ω Pu = T Puissance absorbée au réseau. Pa = U.I C est la totalité de la puissance prise au réseau Couple moteur C est le couple mesuré sur l arbre. On applique la relation de la mécanique : P = C.ω P = Puissance mécanique en watts (W) C = Couple moteur en mètres Newtons (mn) ω = Vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s) ω = 2.π.n n = vitesse de rotation en tr/s Rendement Le moteur à courant continu comme toutes les machines électromagnétiques concède des pertes lors de son fonctionnement. Les pertes comprennent : Les pertes joules, les pertes fer et les pertes mécaniques. η = Pu Pa Le rendement est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée. COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 4 / 10

5 Le courant est proportionnel au couple : La constante K représente les éléments de construction du moteur. La constante K est appelée constante de la machine. La formule du couple devient : C = K.Ø.I Ø = Flux inducteur en Webers ( Wb ) I = Courant absorbé en ampères ( I ) C = Couple moteur en mètres Newtons (mn) CONSTITUTION Organes magnétiques Ils servent à produire le champ magnétique et à le canaliser. Ce sont : - Le stator avec ses pôles inducteurs (bobinés ou à aimant permanent). - L induit fixé sur l arbre, c est la partie tournante du circuit magnétique. Organes électriques Ils sont le siège de la f.é.m. et assurent la liaison avec le circuit extérieur. Ce sont : - Les conducteurs ou faisceaux logés dans les encoches de l induit. - Le collecteur à lames assure la liaison entre les conducteurs tournants du rotor et le circuit extérieur fixe. Il est en cuivre. - Les balais pour alimenter les enroulements de l induit, assurent un contact glissant entre le collecteur entraîné en rotation et les conducteurs allant à la plaque à bornes. Ils sont à base de graphite pour éviter l usure du collecteur. - Le bobinage inducteur pour créer le flux (moteur à inducteur bobiné). Organes mécaniques Ils permettent de fixer les organes magnétiques et électriques les uns par rapport aux autres. Ce sont : - Le stator et l anneau de manutention avec pattes de fixation. - L arbre, les roulements pour la rotation et la turbine de ventilation. - Les flasques qui ferment le moteur à chaque extrémité et supporte l axe, assurant le centrage de l induit par rapport à l inducteur. COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 5 / 10

6 Vues éclatées d un moteur à courant continu Vue sur le système de commutation et de ventilation Balais et portes balais DIFFERENTS TYPES DE MOTEUR On distingue deux types de moteurs à courant continu : Les moteurs à inducteur à aimant permanent - Il n y a pas de circuit inducteur, le flux inducteur est produit par un aimant permanent. - Tous les moteurs à courant continu de faible puissance et les micromoteurs sont des moteurs à aimant permanent. Ils représentent maintenant la majorité des moteurs à courant continu. Ils sont très simples d utilisation. Les moteurs à inducteur bobiné TYPE DE MOTEUR PARTICULARITES AVANTAGE EMPLOI Excitation séparée Excitation dérivation Le circuit inducteur est alimenté par une source séparée. Le circuit inducteur est alimenté en parallèle aux bornes de l induit. Vitesse constante quelque soit la charge Utilisé sur les dispositifs à vitesse variable Excitation série Inducteur monté en série avec l induit Fort couple de démarrage Utilisé en traction électrique Excitation composée C est une combinaison des deux cas précédents COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 6 / 10

7 INVERSION DU SENS DE ROTATION Pour inverser le sens de rotation d un moteur à courant continu il suffit d inverser la polarité aux bornes de l induit ou de l inducteur (pour les moteurs à inducteur bobiné). AVANTAGES Alimentation aisée dans les systèmes transportant leur réserve d énergie (autonome) : pile ou batterie. La variation de fréquence de rotation est simple à réaliser. INCONVENIENT Les inconvénients (coût, usure) limitent généralement son utilisation aux faibles puissances et/ou aux systèmes alimentés par pile ou batterie : automobile, jouets, satellite APPLICATION 1 Sur un moteur à courant continu, on indique une puissance utile de 3 KW. Vous mesurez au tachymètre une fréquence nominale de rotation de 2800 tr/min. Déterminez le couple utile de ce moteur à cette vitesse. APPLICATION 2 On relève aux bornes d un moteur à courant continu une tension de 230V et un courant absorbé de 9,5 A. Sa résistance d induit est de 2 Ω. Calculez sa force contre-électromotrice. Calculez sa puissance absorbée. Sachant que le moteur tourne à 1900 tr/min et qu il a une puissance utile de 2 KW, calculez son couple pour cette vitesse. COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 7 / 10

8 APPLICATION 3 Les caractéristiques nominales d un moteur à aimant permanent sont les suivantes : PARAMETRES UNITE Puissance utile 6 W Tension nominale 12 V Vitesse de rotation nominale 5000 tr/min Rendement 52% Résistance de l induit 12 Ω Calculer la valeur de la puissance absorbée par le moteur dans les conditions nominales. Calculer la valeur du courant nominal absorbé par le moteur. Calculer la valeur de la fcem E quand le moteur tourne à 5000 tr/min. Calculer la valeur de la pointe de courant au démarrage. (Au démarrage E = 0 V). Calculer la valeur du couple utile nominal du moteur à vitesse nominale. APPLICATION 4 On relève dans la documentation constructeur IGARASHI MOTEUR, les caractéristiques maxi d un moteur à courant continu dont la référence est : F G -3 Préciser les différentes caractéristiques de ce moteur : Caractéristiques Tension d alimentation Vitesse de rotation Couple Courant Puissance Rendement Valeur (efficacité max) COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 8 / 10

9 APPLICATION 5 A partir des caractéristiques de ce moteur délivrées par les abaques constructeur, précisez la valeur du courant, de la vitesse, de la puissance et du rendement de ce moteur si le couple moteur est de 1,5 mn-m pendant une phase de fonctionnement. Caractéristiques Vitesse de rotation Courant Puissance Rendement Valeur DOCUMENTATION MOTEUR CC DC Motors - F Dimensions (mm) Weight: 31g (approx) Specification COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 9 / 10

10 Model No. No Load Max Efficiency Stall How to read the model numbers Voltage Speed Current Speed Torque Current Output Eff. Torque Current V RPM A RPM mn-m g-cm oz-in A W % mn-m g-cm oz-in A F G F G F F G Characteristic Curves Home Products About Us Contact Us Igarashi Motors USA 612 Stetson Ave. / Saint Charles, IL tel fax COURS BAC S SI CONVERTIR L ENERGIE MACHINES A COURANT CONTINU Fabrice DESCHAMPS 10 / 10