Le moteur à courant continu TGM

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1 Le moteur à courant continu TGM 1. résentation générale a) Conversion d énergie Le moteur à courant continu effectue une conversion d énergie électrique en énergie mécanique. énergie électrique fournie Moteur à courant continu énergie mécanique utile b) Constitution pertes d énergie Le circuit magnétique est constitué d une partie fixe, le stator, d une partie tournante, le rotor et de l entrefer, l espace entre les deux parties. Le stator supporte le circuit électrique inducteur, qui peut être réalisé avec des bobines ou avec des aimants permanents. le rotor supporte le circuit électrique induit. Le système des balais et collecteurs permet d alimenter l induit. c) Symbole 2. rincipe de fonctionnement a) Couple électromagnétique Lorsqu on alimente l inducteur par une source de tension continue, celui-ci produit un champ magnétique dont les lignes de champ sont canalisées par le circuit magnétique. 1

2 Circuit magnétique d un moteur bipolaire Circuit magnétique d un moteur tétrapolaire On alimente ensuite l induit par une autre source de tension continue. Chacun des conducteurs de l induit est alors parcouru par un courant et, placé dans le champ magnétique inducteur, est soumis à une force de Laplace telle que : F = B.I.l. L intensité de cette force est proportionnelle à l intensité I du courant induit et à l intensité B du champ magnétique créé par l inducteur. Deux conducteurs sont reliés pour former une spire. Il apparaît donc deux forces de même intensité F mais de sens opposés qui forment un couple électromagnétique d intensité T = 2.r.F. (r : rayon du rotor) On a donc : T = 2.r.F = 2.r.B.I.l = S.B.I = Φ.I Conclusion : On montre que le moment du couple électromagnétique total TEM exercé sur l induit vaut : T EM = K.Φ.I Tem en newton mètre (N.m) K : constante du moteur qui ne dépend que de sa constitution (nombre total p de conducteurs N on montre que K =. N avec p nombre de paires de 2. π. a pôles et a nombre de paires de voies d enroulement), Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers (Wb) I : intensité du courant dans chaque conducteur de l induit, en ampères (A) b) Force électromotrice induite Le flux magnétique embrassé par chaque spire de l induit varie lorsqu elle celle-ci est dφ entraînée en rotation. La loi de Faraday, e =, implique qu une f.é.m. induite e dt apparaît aux bornes de cette spire. Il en est de même pour chaque spire de l induit. 2

3 Conclusion : On montre que la f.é.m. induite totale E qui apparaît aux bornes de l induit vaut : E = K.Φ. E en volts (V) K est la même constante que précédemment, Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers (Wb) : vitesse de rotation du moteur en radians par seconde (rad.s -1 ) c) Réversibilité du moteur à courant continu Si le rotor du moteur à courant continu est entraîné par un autre système et que l inducteur est alimenté, la loi de Faraday implique qu une f.é.m. induite apparaît aux bornes de l induit : On peut y brancher un récepteur et recueillir de l énergie électrique. Il y a transformation d énergie mécanique (du système d entraînement) en énergie électrique : c est un fonctionnement en génératrice, semblable au fonctionnement d une dynamo de vélo. 3. Modèle équivalent du moteur à courant continu a) L induit our une vitesse de rotation constante et un flux Φ constant (c'est-à-dire un courant inducteur IE constant), on relève la caractéristique U = f(i) de l induit en «chargeant» le moteur, c'est-à-dire en freinant progressivement le rotor par un système mécanique appelé «charge». Comme E = K.Φ., E est constante dans cet essai. On obtient la caractéristique suivante : A vide (I 0), la tension U se confond avec la f.é.m. induite E ; En charge (I 0), il faut augmenter U pour garder la vitesse de rotation constante ; On calcule le coefficient directeur de la caractéristique et on trouve que celui-ci a pour valeur la résistance R des bobines de l induit. U (V) I (A) Conclusion : La caractéristique U = f(i) de l induit a pour équation : U = E + R.I 3

4 I Cette équation correspond au modèle électrique équivalent suivant : R C est le modèle équivalent de l induit. U E b) L inducteur L inducteur est fixe par rapport au flux magnétique : il ne subit pas d induction. Alimenté aussi en continu par une tension UE, son modèle équivalent se réduit à la résistance RE des bobines de l inducteur. I E U E R E Remarque : On appelle courant d excitation le courant IE car il est lié à l excitation magnétique qui produit le flux dans le moteur. 4. uissances mises en jeu a) uissance absorbée Le moteur absorbe la puissance électrique : A = induit + inducteur = U.I + UE.IE b) uissance et couple électromagnétiques De l équation de l induit : U = E + R.I on déduit l équation des puissances de l induit : U.I = E.I + R.I 2 AI = U.I est la puissance absorbée par l induit ; JI = R.I 2 est la puissance dissipée par effet joule dans la résistance de l induit ; EM = E.I est la puissance électromagnétique que l induit transmet au rotor par l action du couple électromagnétique TEM. Des équations fondamentales du moteur : E = KΦ et TEM = KΦI, on déduit que : Il y a bien conservation de l énergie. EM = E.I = T EM. 4

5 c) uissances perdues Lors de la transformation d énergie, une partie de la puissance absorbée est perdue sous forme de chaleur : pertes joules : J = JI + JE = R.I 2 + RE.IE 2 = R.I 2 + UE.IE pertes mécaniques (frottements, ventilation) : MECA pertes fer (courants induits dans le circuit magnétique et pertes dues au phénomène d hystérésis) : FER On appelle pertes collectives C, la somme des pertes mécaniques et des pertes fer : C = MECA + FER ropriété : lorsque le moteur fonctionne à flux constant, les pertes collectives sont proportionnelles à la vitesse de rotation : C = a. avec a = constante. On définit le moment du couple de pertes T par la relation : C T = Conséquence : A flux constant, le moment du couple de perte T est une constante du moteur. d) uissance utile C est la puissance mécanique U fournie à l utilisateur. Elle correspond au moment du couple utile tel que : Tu = u e) Bilan des puissances R.I 2 du graphe on déduit : EM = C + u d où : AI = U.I induit conversion d énergie EM u T EM = T + Tu inducteur AE = U E.I E R.I E2 = U E.I E C 5

6 f) Rendement Le rendement d un moteur à courant continu varie de 75 à 95 %. Il est d autant meilleur que le moteur est de forte puissance. Méthode directe η= u A Méthode des pertes séparées η = u + JI u + JE + C = A JI A JE C g) Cas du moteur à aimant permanent Dans ce moteur, l inducteur est réalisé avec des aimants permanents : il n y a donc pas d alimentation pour l inducteur, le flux est constant, et les résultats précédents se simplifient : η= u A induit R.I 2 conversion d énergie η = u + u JI + C = A JI A C AI = U.I EM u C 5. Moteur à excitation indépendante a) Branchements Les deux enroulements inducteur et induit sont alimentés par deux sources de tensions continues différentes. inducteur I induit I E R U E R E U E 6

7 Remarque : les moteurs à aimants permanents sont des moteurs à excitation indépendante. b) Caractéristiques électromécaniques et mécanique Des relations fondamentales, on déduit que : = U R.I K. Ce sont les quatre grandeurs U, I, et Φ qui déterminent le fonctionnement du moteur. Fonctionnement sous tension d'induit constante Au régime nominal, R.I << U et on a : U K. 0 Φ Conséquence : Le moteur s'emballe et devient incontrôlable si le flux est trop faible. rocédure de mise sous tension du moteur : Il faut d'abord mettre l'inducteur sous tension, puis l'induit. Caractéristiques I() et Tu() lorsque le flux Φ est constant I = (U K.Φ.)/R = -k1. + k2 Tem = Tu +Tp I Φ = cte Tu Tem Φ = cte Tp 0 0 La vitesse de rotation du moteur diminue lorsque la charge augmente. 7

8 Fonctionnement à courant I et flux Φ constants (ascenseur ou monte-charge) = U R.I K. = k1.u - k2 I = cte Φ = cte 0 R.I Il est possible de régler la vitesse de rotation du moteur en réglant la tension U. c) oint de fonctionnement Lorsque le moteur entraîne une charge de caractéristique TR(R), il s'établit un équilibre mécanique tel que : Tu = TR et = R Tu T R U 0 L'intersection des deux caractéristiques est le point de fonctionnement. d) Sens de rotation du moteur our inverser le sens de rotation du moteur, il faut inverser le branchement de l'inducteur ou celui de l'induit. 8