8 - Free

Machine à courant continu
PROGRAMME TGC TGE
B.3.3.1. Moteurs à courant continu principe, réversibilité. Moteur à excitation indépendante :
propriétés essentielles ; caractéristiques électromécanique et mécanique.
B.3.3.2. Moteur universel.
Connaissances antérieures utiles
− En sciences physiques :
• loi de Laplace (programme de la classe de première « génie civil »).
• loi de Faraday programme de terminale.
− En mathématiques :
• calculs littéraux élémentaires portant sur l’exploitation d’une formule donnée.
Connaissances scientifiques
− Dessiner le modèle équivalent (E,r) de l’induit d’un moteur à courant continu.
− Citer la formule donnant la f.e.m. d’un moteur à courant continu : E = KΦΩ.
− Citer la formule donnant le couple électromoteur d’un moteur à courant continu : T = KΦI.
Savoir-faire expérimentaux
− Dessiner le schéma du montage de mesure, etc. (voir ci-dessus B.1.).
− Câbler un circuit électrique, etc. (voir ci-dessus B.1.).
− Donner le résultat d’une mesure avec un nombre raisonnable de chiffres significatifs.
− Brancher correctement un moteur à excitation indépendante.
− Mesurer une tension, un courant, une fréquence de rotation.
Savoir-faire théoriques
− Exploiter les caractéristiques d’un moteur : cas de la détermination de son point de
fonctionnement quand il entraîne une charge (de caractéristique mécanique connue).
− Effectuer le bilan des puissances mises en jeu dans un moteur.
− Utiliser les formules permettant de calculer le rendement d’un moteur à courant continu par
la méthode directe et par la méthode des pertes séparées.
PROGRAMME TGM
B.3.2.1. Moteur à courant continu : principe, réversibilité.
Moteur à excitation indépendante: propriétés essentielles ; caractéristiques électromécanique
et mécanique; réglage de la vitesse, inversion du sens de rotation
Connaissances antérieures utiles
- En sciences physiques :
loi de Faraday et loi de Laplace (programme de Première Génie mécanique ).
- En mathématiques :
calculs littéraux élémentaires portant sur l'exploitation d'une formule donnée.
Connaissances antérieures utiles
- En sciences physiques :
induction électromagnétique (programme de la classe de Première « Génie mécanique »).
- En mathématiques :
.calculs littéraux élémentaires portant sur l'exploitation d'une formule donnée.
Connaissances scientifiques
- Dessiner le modèle équivalent (E, r) de l'induit d'un moteur à courant continu.
- Citer la formule donnant la fem d'un moteur à courant continu : E = K.
- Citer la formule donnant le couple électromoteur d'un moteur à courant continu : T = K I.
- Citer deux systèmes utilisés pour le réglage d e la vitesse d'un moteur à courant continu :
hacheur série et pont mixte.
Savoir-faire expérimentaux
Dessiner le schéma du montage de mesure... etc. (voir ci-dessus B .l .):
- Câbler un circuit électrique... etc. (voir ci-dessus B.1 .).
- Donner le résultat d'une mesure avec un nombre raisonnable de chiffres significatifs.
- Brancher correctement un moteur à excitation indépendante
- Régler la vitesse d'un petit moteur à excitation indépendante et inverser son sens de rotation.
- Mesurer une tension, un courant, une fréquence de rotation.
Savoir-faire théoriques
- Exploiter les caractéristiques d'un moteur: cas de la détermination de son point de
fonctionnement quand il entraîne une charge (de caractéristique mécanique connue).
- Effectuer le bilan des puissances mises en jeu dans un moteur.
- Utiliser les formules permettant de calculer le rendement d'un moteur à courant continu par
la méthode directe et par la méthode des pertes séparées.
I.
Les machines à courant continu
1 Généralités
a) Utilisation
b) Réversibilité
c) Description (cf. vidéo)
2 Principe de fonctionnement
a)
fém
(1) obtention
Fém induite dans une spire
Imaginons une machine très simplifiée comportant une paire de pôles et seulement deux
encoches où sont logés deux conducteurs réunis entre eux (spire ouverte AP1P2Q2Q1C).
Nous choisissons un sens positif sur la spire et plaçons la normale orientée n de manière à
pouvoir algébriser le flux qu'elle embrasse: dans le cas des figures 5a et 5b,  est positif et
décroît.
La position de la spire dans l'entrefer est repérée par l'angle
La vitesse angulaire du rotor est  et vaut 2n []=rad.s-1 et
[n]=tr.s-1.
Le flux est fonction de l'angle et varie entre deux valeurs
extrémales + et -.
La spire considérée est le siège d'une fém induite eS, donnée par
d
la loi de Faraday: e S  
dt
Valeur moyenne de eS sur une demi-période:

 (T / 2)   (0)
    4
eS  

 2


T /2
T
T
1 2
Or T  
 eS  k
n 
Rôle du collecteur
La fém e de la machine égale à vB1-vB2, est égale à:
eS lorsque le balai B1 frotte sur la lame C et le balai B2 frotte sur la lame A ( soit pour 0<<)
-eS dans le cas contraire
L'ensemble balais - collecteur assure une fonction de redressement
(2) expression
E  k
E en volt
 en weber
 en radians par seconde
E est proportionnelle à la vitesse
(3) application
1500 tr.min-1
27 mWb
K=143
b)
Couple électromagnétique
(1) moment d'un couple
Considérons un cylindre mobile de diamètre d sur lequel s'exerce deux forces F et F' de même
norme F. Le moment T du couple de forces (F; F') est donné par T  d  F
(2) origine du couple
Un générateur fait circuler un courant I dans la spire précédente.
Force de Laplace
(3) expression du couple
 : flux inducteur
I: courant dans l'induit
c)
T  kI
Puissance électromagnétique
Pem  Tem  

Pem  E  I
d)
Machine réelle: RMI
En traversant l'induit, I a tendance à diminuer le flux dans l'entrefer. On compense cette
réaction magnétique d'induit par la mise en place d'une bobine auxiliaire.
II.
Le moteur à excitation indépendante
1 Présentation de la machine
R
I
Ie
r
U
E
Induit
Ue
Inducteur = Excitation
2 alimentations sont nécessaires
Ie fixe le flux inducteur
Plaque signalétique
Induit
 Tension nominale
 Courant nominal
 Vitesse nominale
 Puissance nominale
 Rendement nominal
Excitation
 Tension nominale d'excitation
 Courant nominal d'excitation
Ordre de grandeur
 Couple utile 25Nm
 Résistance d'induit 1
2 Démarrage de la machine
Fém nulle au démarrage
 U N  RI D . Courant trop important
Solutions
Rhéostat de démarrage dans l'induit
Augmentation de 0 à UN
3 Vitesse de rotation
a) expression de la vitesse
E  K et E  U  RI
 E  kN
U R
N  I
k k
2 solutions:
Réglage de la vitesse par U à I constant
Réglage de la vitesse par I à U constant
b) caractéristiques de vitesse
U
R
N  I N
k
k
A vide de charge, on peut négliger I.
U
NV  N
k
Cette caractéristique est obtenue en
chargeant l'arbre des puissances
IN est obtenue en freinant l'arbre.
RI
1
N  U N
k
k
U d  RI N
N
N
NN
UD
I
UN
U
4 caractéristiques mécaniques
MCC en rotation
a) définition
Il s'agit de la caractéristique TU=f(N), pour une alimentation sous I nominal. Elle permet de
choisir le moteur en fonction de la charge à entraîner
b) tracé
E  U  RI avec I 
Tem
2
N
et E  K
60
K
Tem
2

K 

R
2
K
N
UN
60
R
c) conclusion
La vitesse diminue lorsque le couple augmente
d) point de fonctionnement
La charge impose un couple résistant TR.
Pour qu'il y ait un fonctionnement à vitesse constante, il faut que TU=TR
5 bilan énergétique
Puissance absorbée
PAbs=UeIe+UI
Puissance électromagnétique
Pem=Tem
Puissance utile
PU=TU
 rendement par la méthode directe
TU 

UI  U e I e
Pertes par effet Joule
PJe=UeIe
PJi=RI2
Pertes constantes
Pm + Pf = TP
 rendement par la méthode des pertes séparées
Mesure des pertes à vide (de charge): Pvide=UVIV=PC
P  Pj  Pje  Pc
 A
PA
6 inversion du sens de rotation
Soit on inverse le flux inducteur
Soit on inverse la tension d'alimentation
III.
IV.
La génératrice à courant continu
Le moteur à excitation série (Hors Programme)
1 présentation
Inducteur = Excitation
I
Induit
R
r
U
E
I=Ie: le flux produit par l'inducteur n'est plus constant mais il dépend de la charge
  k e Ie  k eI
2 expression de la fém et du couple
E  K . Or   k e I  E  K ' I
E dépend de  et I
Tem  KI . Or   k e I  Tem  K ' I 2
Tem#I²
3 caractéristique mécanique pour U=UN
Supposons les pertes constantes nulles  TP=0
2
2

UN 1
Tem  K ' I 2
 UN 
T

K
'





em
K'  2
E  K ' I  U N 
 K'  
Conséquences
Le moteur série ne peut fonctionner à vide sinon sa vitesse est très grande (on parle
d'emballement).
Ce moteur convient dans l'entraînement des charges qui exigent un couple important au
démarrage ou à faible vitesse.
4 bilan de puissance et rendement
Puissance absorbée
PAbs=UI
Puissance électromagnétique
Pem=Tem=EI
Puissance utile
Rendement par la méthode des pertes séparées
P  Pj  Pc
 A
PA
PU=TU
Pertes par effet Joule
PJi=(r+R)I2
Pertes constantes
Pm + Pf = TP