LA MACHINE A COURANT CONTINU I) Définition : Une machine à courant continu est une machine électrique tournante mettant en jeu des tensions et des courants continus. II) Principe de fonctionnement : Dans cette machine les principales lois qui y résident sont : Loi de Faraday et de Laplace : Figure 1 Figure 2 - Création d une force électromotrice : D après la loi de Faraday : e = dφ dt Cette force électromotrice est une tension = mesurable en plaçant un voltmètre entre les pts M et P. De plus : dφ = B. L. dx or dx = v. dt donc : e = dφ = B. L. v dt Avec v : vitesse de déplacement de la barre Quand le déplacement de la barre change de sens, la force électromotrice change de signe. Voir figure 1 - Création d une force mécanique : Le circuit étant fermé et traversé par un champ magnétique. D après la force de Laplace, tout le circuit est soumis à une force mécanique seulement il n y que la barre NO qui peut se déplacer donc elle subit cette force, dont la valeur numérique est : F = I. L. B Si champ magn. ou tension appliqué (E) change de sens alors le sens de déplacement de la barre aussi. Voir figure 2 - Le cadre tournant : Les forces de Laplace s exerçant sur le cadre le mettent en mouvement afin que le flux de champ magn. soit max et cela entraîne la création d une tension et d un courant c'est-à-dire d une puissance électrique. Ainsi le mvt du cadre engendre un courant continu : c est le principe d une génératrice (ou dynamo). Cependant au bout de 180 le flux redevient nul car Φ = B. ds = B S cos (Θ) avec ϴ = (B ; ds) Donc la tension du circuit aussi. Ainsi pour faire tourner de façon ininterrompue, il faut changer le sens du courant tous les demi-tours. Dans une machine à courant continu, il y a plusieurs cadres dont 5 plongées en même temps dans le même champ magnétique. Il faut donc changer pour chacun des cadres, au bon moment, le sens du courant. S 0 1
III) Technologie de la machine à courant continu : - Les circuits électriques : Le stator est l inducteur : son courant est noté «i» Il faut noter que le courant inducteur = courant d excitation Le rotor est l induit : son courant est noté «I» Symboles électriques : - Le collecteur et les balais : Afin d assurer le contact électrique de l induit et de permettre l inversion du sens du courant, on utilise un collecteur sur lequel reposent des balais. Schéma d un collecteur : Rotor Tous les demi-tours de rotor les lames conductrices changent de balais et sont donc traversé par un courant de sens opposé à celui qui les traversait anciennement = le courant change de sens et la rotation continue. IV) Fonctionnement de la machine à courant continu : L induction (ou excitation de le machine) peut être réalisée de différentes façons : Montage en série = inducteur et induit en série. Montage shunt = inducteur et induit en parallèle. Montage à excitation séparée = inducteur et induit connectés indépendamment. A partir des équations obtenues, il suffira de poser : i = I pour écrire les équations de la machines série. u = U pour écrire les équations de la machine shunt. - Schéma électriques équivalents : Schéma permettant de rendre compte du comportement électrique de ce circuit à l aide d un générateur et des composants simples. 2
L inducteur = résistance r L induit = résistance R et dipôle E E = f.e.m, si I dans le même sens que E dipôle E en fonctionnement moteur. E = f.c.e.m, si I dans le sens contraire à E dipôle E en fonctionnement générateur E = K. Φ. Ω, avec K : constante caractéristique de la machine à courant continu. - Couple et puissance électromagnétique : Puissance électromagnétique = puissance transmise entre stator et rotor P em = E. I Couple électromagnétique = couple appliqué par les forces de Laplace sur le rotor : T em = K. Φ. I - La machine à courant continu en mode moteur : En mode moteur si U > E Car le courant va du potentiel le plus haut au potentiel le plus bas. Vitesse du moteur : U = E + RI Ω = U RI or RI U donc Ω U Avec Ω : vitesse angulaire du moteur (en rad. s 1 ) Par suite, la vitesse de rotation du moteur à courant continu est contrôlée par la tension induite Emballement du moteur à excitation indépendante : On sait n U RI donc si on coupe le courant inducteur : i = 0 et par suite n donc le moteur i s emballe = dangereux pour l utilisateur car pour jauger de la puissance d un moteur on se fit à sa vitesse et à son couple. Bilan des puissances et des pertes dans un moteur à courant continu : La puissance absorbée : P a = U. I + u. i La puissance utile : P u = T u. Ω = 2π. n. T u ; Avec T u : couple utile 3
Les pertes variables : P J = P JS + P JR Au stator-inducteur : P JS = r. i² = u. i Au rotor-induit : P JR = R. I² Les pertes constantes : P cste = P rot + P f Pertes méca. rotationnelles dû aux frottements : P Rot Pertes fer par hystérésis et par courant de Foucault (= défaut d aimantation) : P f Rendement : η = P u P a A vide : η = 0 et P u = 0 donc possibilité de calculer les pertes constantes : P cste = U 0. I 0 R. I 0 ² Couple utile d un moteur à courant continu : On sait que : P u = P em P cste T u = T em T cste donc T u Φ. I Par suite le couple utile du moteur à courant continu est contrôlé par le courant induit Démarrage du moteur à courant continu : Tension de démarrage : E = O car n = 0 donc la tension au démarrage est appliquée à R qui est très faible cela demande donc un appel de courant très fort qui peut détériorer le bobinage induit Par suite un moteur à courant continu doit toujours être démarré sous tension réduite. Couple au démarrage : On peut contrôler le couple au démarrage d un moteur à courant continu, et atteindre ainsi des valeurs élevées. - La machine à courant continu en mode génératrice : Une génératrice en courant continu = dynamo Mode génératrice = U < E Vitesse du moteur : or RI U donc Ω U U = E RI Ω = U+RI Par suit la tension délivré par la dynamo est proportionnelle à sa vitesse de rotation. Bilan des puissances et des pertes : Couple appliqué et puissance absorbée (= puissance mécanique) : P a = T a. Ω = 2π. n. T a La puissance électrique u. i normalement fourni à l inducteur comme excitation est négligée car largement inférieur à la puissance absorbée. Puissance utile : P u = U. I Les pertes en mode génératrice = pertes en mode moteur Rendement : η = P u P a A vide : P u = 0 et P a = P cste = 2π. n 0. T a0 car une génératrice à vide délivre une tension d induit U 0 mais ne délivre pas de courant induit (I 0 = 0) 4
V) Avantages et inconvénients de la machine à courant continu : - Avantages : Contrôle de la machine simple et création = facile à réaliser. Fonctionnement facile à renverser (contrôle de la tension d induit) : génératrice ou moteur. Couple au démarrage = important et réglable. - Inconvénients : Les lames du collecteur ne doivent pas dépasser d une fraction de millimètre (sinon étincelle) La pression des balais doit être convenablement réglée. Les balais s usent et doivent faire l objet d un entretient. 5