Machine à courant continu Cycle ingénieur GECSI 1 / GEER 1 Prof : Mr Mohammed KISSAOUI Email: [email protected] Année Universitaire 2022–2023 ENSET Mohammedia Plan 1. Présentation et Fonctionnement 1.1 Constitution 1.2 Principe de fonctionnement 1.3 Schéma électrique équivalent 2. Les différents types de machines à courant continu 2.1 Montages électriques 2.2 Moteur à excitation indépendante 2.3 Moteur à excitation série 3. Emploi et identification 3.1 Fonctionnement moteur 3.2 Fonctionnement génératrice 4. Modélisation du moteur à courant continu 4.1 Mise en équation des phénomènes physiques 4.2 Comportement global 5. Conclusion 1 1. Présentation et Fonctionnement 1.1 Constitution 1.2 Principe de fonctionnement 1.3 Schéma électrique équivalent 2 1.1 Constitution La machine à courant continu est constituée de trois parties principales : l'inducteur l'induit le dispositif collecteur / balais 3 1.1 Constitution L'inducteur (ou circuit d'excitation) C’est un aimant ou un électroaimant (bobinage parcouru par un courant continu i). Il est situé sur la partie fixe de la machine (le stator) : Il sert à créer un champ magnétique (champ "inducteur") dans le rotor 4 1.1 Constitution L'induit (circuit de puissance) L'induit est situé au rotor (partie tournante de la machine) : C'est un bobinage parcouru par un courant continu I (courant d'induit). 5 1.1 Constitution Le collecteur et les balais Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre où sont reliées les extrémités du bobinage de l'induit. Les balais (ou charbons) sont situés au stator et frottent sur le collecteur en rotation. Le dispositif collecteur / balais permet donc de faire circuler un courant dans l’induit. 6 1.2 Principe de fonctionnement Fonctionnement en moteur Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique : Fonctionnement en génératrice (dynamo) Conversion d’énergie mécanique en énergie électrique : 7 1.2 Principe de fonctionnement 8 1.2 Principe de fonctionnement Fonctionnement en moteur Soit une spire du bobinage d'induit : champ magnétique inducteur B + courant d'induit I ⇒ forces électromagnétiques (forces de Laplace) ⇒ couple électromagnétique ⇒ rotation du rotor 9 1.2 Principe de fonctionnement Fonctionnement en génératrice Le principe physique utilisé est le phénomène d'induction électromagnétique (loi de Faraday : e = -dΦ/dt) : champ inducteur + rotation de la spire ⇒ variation du flux magnétique ⇒ création d'une fem induite (e) alternative Le collecteur permet d’obtenir une fem de forme continue 10 1.3 Schéma électrique équivalent Les matériaux ferromagnétiques de la machine sont supposés linéaires (pas de saturation). Expression de la fem induite Loi de Faraday : E = k Φ ῼ E : fem induite (tension continue en V) Φ : flux magnétique crée sous un pôle par l'inducteur (cf. fig. 1) ῼ : vitesse de rotation (en rad/s) k : constante qui dépend de la machine considérée = N*p/ 2∏a Expression du couple électromagnétique Loi de Laplace : Tem = k’ Φ I Tem : couple électromagnétique (en Nm) I : courant d'induit (en A) k’ : constante qui dépend de la machine 11 1.3 Schéma électrique équivalent Conversion de puissance La puissance électromagnétique Pem mise en jeu a deux formes : électrique mécanique Pem = E I Pem = Tem ῼ Il vient : E I = Tem ῼ (k ῼ Φ) I= (k' Φ I) ῼ k = k‘ En résumé : E=kΦῼ Tem = k Φ I 12 1.3 Schéma électrique équivalent Schéma équivalent de l'induit On utilise un modèle de Thévenin : E : fem induite (en V) U : tension d'induit (en V) R : résistance d'induit (en ῼ) (résistance du bobinage de l'induit) I : courant d'induit (en A) Loi des branches : U = E + RI (en convention récepteur) Fonctionnement : - en moteur : I>0 Pe = UI > 0 E<U - en génératrice : I < 0 Pe = UI < 0 U<E 13 2. Les différents types de machines à courant continu 2.1 Montages électriques 2.2 Moteur à excitation indépendante 2.3 Moteur à excitation série 14 2.1 Montages électriques 15 2.1 Montages électriques 16 2.2 Moteur à excitation indépendante On s'intéresse à la machine à excitation indépendante en fonctionnement moteur 17 2.2 Moteur à excitation indépendante Schéma électrique équivalent Induit : U = E + RI Excitation : u = r i (r : résistance du bobinage de l'excitation) En pratique : r >> R En charge : I >> i 18 2.2 Moteur à excitation indépendante Vitesse de rotation E=kΦῼ d'où : Caractéristique ῼ (i) à U constante Charge courant d’induit I En pratique : RI << U 19 2.2 Moteur à excitation indépendante Démarrage du moteur Surintensité de démarrage (exemple) Soient : Tdc le couple de démarrage imposé par la charge (N.m); Td le couple de démarrage du moteur (N.m); Id le courant de démarrage (A); Un =240 V la tension d’alimentation nominale de l’induit ; In = 20 A le courant nominal dans l’induit ; R=1 ῼ la résistance de l’induit. 20 2.2 Moteur à excitation indépendante Démarrage du moteur (suite) ➢ Conséquences La pointe de courant de 240 A va provoquer la détérioration de l’induit par échauffement excessif par effet joule. Il faut limiter le courant de démarrage : en générale on accepte ➢ Solutions pour limiter le courant Quels sont les solutions pratiques ? 21 2.2 Moteur à excitation indépendante Démarrage du moteur (suite) Solution 1 : on utilise des rhéostats de démarrage. Cette solution est peu économique. Dans notre exemple Solution 2 : on démarre sous une tension d’alimentation réduite. Dans notre exemple 22 2.2 Moteur à excitation indépendante Fonctionnement à vide 23 2.2 Moteur à excitation indépendante Fonctionnement à vide (suite) Fonctionnement à flux constant 24 2.2 Moteur à excitation indépendante Fonctionnement en charge Caractéristique ῼ(I) en charge à U constante et i constant (Φ constant) La vitesse de rotation varie peu avec la charge 25 2.2 Moteur à excitation indépendante Fonctionnement en charge (suite) Caractéristique mécanique T em (ῼ) à U constante et i constant ▪La tension d’alimentation impose la vitesse de rotation ▪ La charge impose la valeur du courant 26 2.2 Moteur à excitation indépendante Point de Fonctionnement Une charge oppose au moteur un couple résistant Tr. Pour que le moteur puisse entraîner cette charge, le moteur doit fournir un couple utile Tu de telle sorte que : Cette équation détermine le point de fonctionnement du moteur 27 2.2 Moteur à excitation indépendante Bilan de puissance -Puissance absorbée (électrique) : UI (induit) + ui (inducteur) -Puissance électromagnétique : EI = Tem ῼ - Puissance utile (mécanique) : Tutile ῼ. 28 2.2 Moteur à excitation indépendante Bilan de puissance (suite) - pertes Joule : • à l’induit : RI² • à l’inducteur : ri² (= ui) - pertes collectives (ou “constantes”) : pertes mécaniques (frottements, vibrations, ventilation …) + pertes “fer” (dues aux matériaux ferromagnétiques) pcollectives = Tpertes collectives ῼ ; Tpertes collectives = Tem - Tutile 29 2.2 Moteur à excitation indépendante Rendement 30 2.3 Moteur à excitation série U = E + Rtotale * I avec : Rtotale = r + R 31 2.3 Moteur à excitation série Avantages du moteur série Tem = α I² ⇒ couple important (en particulier au démarrage). ➢ Le moteur série fonctionne aussi en courant alternatif (moteur universel). ➢ 32 2.3 Moteur à excitation série Inconvénients du moteur série ➢ La vitesse de rotation dépend fortement de la charge : elle augmente rapidement quand la charge diminue. A vide, I = 0 E=U E =α I ῼ ⇒ ῼ → ∞ ➢ Ce moteur doit toujours avoir une charge car à vide il s'emballe ! 33 3. Emploi et identification 3.1 Fonctionnement moteur 3.2 Fonctionnement génératrice 34 3.1 Fonctionnement moteur Moteur à excitation indépendante Ce moteur est caractérisé par une vitesse réglable par tension et indépendante de la charge. En association avec un convertisseur statique (hacheur) fournissant une tension réglable, la vitesse peut varier sur un large domaine. Il fournit un couple important à faible vitesse (machines-outils, levage). En petite puissance, il est souvent utilisé en asservissement avec une régulation de vitesse. 35 3.1 Fonctionnement moteur Moteur à excitation série Ce moteur possède un fort couple de démarrage. Il convient très bien dans le domaine des fortes puissances (1 à 10 MW) pour obtenir un fonctionnement satisfaisant en faible vitesse (traction,…). En petite puissance il est employé comme démarreur des moteurs à explosion 36 3.1 Fonctionnement moteur Identification Exemple : LSK 1604 indique la série LSK ; 160 de hauteur d’axe ; 4 pôles. 37 3.2 Fonctionnement génératrice Bilan de puissance de la génératrice à excitation indépendante ➢ Puissance absorbée : puissance mécanique reçue + puissance consommée par l'inducteur : ui = ri² ➢ Puissance utile (électrique) : UI (induit) ➢ Rendement : 38 4. Modélisation du moteur à courant continu 4.1 Mise en équation des phénomènes physiques 4.2 Comportement global 39 4.1 Mise en équation des phénomènes physiques Circuits équivalents Comportement en régime établi Comportement en régime dynamique (ou transitoire) Équations électriques et mécaniques 40 4.1 Mise en équation des phénomènes physiques Équations électriques et mécaniques 41 4.1 Mise en équation des phénomènes physiques Équations électriques et mécaniques 42 4.2 Comportement global Le comportement global d’un moteur à courant continu peut s’exprimer sous la forme d’un schéma bloc via les transformées de Laplace 43 4.2 Comportement global La fonction de transfert d’un moteur à courant continu (sans couple résistant) est : La forme canonique peut être exprimer comme produit de 2 premiers ordre : 44 4.2 Comportement global En général, la partie électromécanique réagit moins vite que la partie électrique et on montre que : 45 5. Conclusion 46 5. Conclusion Avantages : Commande facile : U n et I Tu Connexion directe sur batteries possible Facilement réversible (U par rapport à E) Couple au démarrage réglable et important Inconvénients : Emballement possible Tension au démarrage à contrôler Prix élevé Maintenance nécessaire Source importante de nuisances (étincelles) 47
