BTS ATI TP/COURS

BTS ATI
TP/COURS
MACHINE A COURANT
CONTINU
1. Constitution :
La ‘‘ machine à courant continu ’’ réduite à sa plus simple expression est constituée :
 De l'inducteur réalisé par deux bobines branchées en série et parcourues par un
courant continu (appelé courant inducteur).Ces bobines créent un champ magnétique.
Ce champ magnétique peut être aussi créé par un aimant permanent. Alors, l’amplitude du
champ est plus petite. Ce type d’inducteur est donc utilisé pour les machines de petites
puissances.
 Le champ magnétique est canalisé par le circuit magnétique constitué des noyaux
polaires, du rotor et de la carcasse.
 Le circuit de l'induit est solidaire au rotor. On réalise une spire en reliant deux
conducteurs placés dans deux encoches diamétralement opposées.
 Les extrémités de la spire sont soudées à deux lames de cuivre voisines, « les
collecteurs », solidaires de l'arbre de rotation.
Sur les lames du collecteur frottent des balais en carbone fixes connectés à un circuit
électrique extérieur à la machine.
2. Principe de fonctionnement :
Un conducteur de l’induit est parcouru par un courant et soumis à un champ magnétique. Il est
soumis à une force de Laplace
.
Le sens de rotation dépend donc :
-
du sens du champ magnétique,
du sens du courant dans l’induit.
Pour inverser le sens de rotation, il faut, soit inverser le sens du courant dans l’induit, soit
inverser le sens du courant dans l’inducteur, ce qui inverse le sens du champ magnétique. On
ne doit pas inverser les deux, sinon le moteur tournerait toujours dans le même sens.
3. Force électromotrice induite et modèle équivalent de Thévenin de l’induit :
3.1 Modèle équivalent de Thévenin :
Caractéristique U = f(I) : Pour Iex = Cte = 0,5 A et pour n = 1000 tr/min :
Schéma de montage :
Attention : Il est indispensable d’alimenter l’inducteur en premier et de régler le courant
d’excitation à la valeur souhaitée avant d’alimenter progressivement l’induit . De même, pour
arrêter le moteur, on coupera d’abord l’alimentation de l’induit avant celle de l’inducteur.
Tableau de mesure :
On réalise avec le même montage, le même relevé pour n = 2000 tr/min.
Caractéristique U = f (I) pour les deux vitesses de rotation :
U(V)
50
1
I(A)
Caractéristique U = f(I), pour n = 2000 tr/min, pour iex = 0,3 A et pour iex = 0,5 A.
Pour iex = 0,3 A :
Pour iex = 0,5 A.
On trace la caractéristique U = f (I) pour les deux vitesses de rotation :
U(V)
50
1
I(A)
3.2 Modèle équivalent de Thévenin :
Les courbes obtenues sont en fait des droites, ne passant pas par l’origine, leurs équations sont
donc de la forme ::
U = a.I+ b
On modélisera l’induit de la machine par le circuit électrique suivant :
Ici : U = E- R.I
I
R
E
U
Par identification, on a :
b=E
et
a=-R
Compléter le tableau suivant :
1000
n
Iex
0,5
2000
0,5
2000
0,3
a
B
équation
R
E
3.3 Conclusion : E à pour expression :
4. Couple électromagnétique :
La tension induite E est à l’origine du couple électromagnétique Tem :
Le couple électromagnétique est donc proportionnel au courant I pour Iex = constante.
Démonstration :
5. Caractéristiques d’une machine à courant continu : A faire enTP
Variation de Vitesse d’une machine à courant continu : n = f(U), n = (f(Iex)
Caractéristique mécanique : Tu = f(n)
5.1 Caractéristique n = f(U)









A partir de l’écriture de la loi d’ohm dans la maille (modèle équivalent), déduire l’expression
de la vitesse en fonction de U, R, I, K et .
Déterminer la limite de n = f(n) lorsque  tend vers 0. En déduire l’ordre d’alimentation et de
coupure des deux enroulements du moteur.
Montrer que n = f(U) est une droite lorsque le courant d’excitation est constant. Déterminer
l’expression de l’ordonnée à l’origine et de la pente en fonction de R, I, K et .
En déduire l’expression de Ud (tension aux bornes de l’induit qui provoque le démarrage du
moteur) en fonction de R et I. Déterminer la valeur de Ud si on considère qu’au démarrage, le
courant dans l’induit ne dépasse pas 1,2 In.(vous trouverez la valeur de In sur la plaque
signalétique du moteur).
Réaliser un schéma de câblage..(Vous aller faire deux séries de mesures pour deux valeurs du
courant inducteur vous devez donc choisir un montage pour l’inducteur de façon à pouvoir
régler Iex.(l’alimentation de l’inducteur est une alimentation fixe).
Relever les caractéristiques n = f(U) pour U variant de O à 200 V. (Pour Iex = Iex N et Iex =
IexN/2).
Déterminer les pentes ainsi que les ordonnées à l’origine.
En comparant les résultats expérimentaux et les calculs préliminaires, déterminer la valeur de
K.
Conclure.
5.2 Caractéristique n = f(Iex) à vide




Schéma de montage :
Mesures :
Caractéristique :
Conclusion :
5.3 Caractéristique Tu = f’n)




Schéma de montage :
Mesures :
Caractéristique :
Conclusion :
6. Bilan de puissance :
6.1 Arbre de puissance :
Une machine à courant continue fonctionnant en moteur reçoit de la puissance électrique (Pa
puissance absorbée) et fournit une puissance mécanique.
6.2 Expression et mesure des différentes pertes :
Puissance absorbée :
La puissance absorbées par le moteur : Pa = UI + ui
Pertes Joules :
Les pertes par effet joule dans l’induit et dans l’inducteur s’expriment: PJ = RI2 + ri2
Remarque : les pertes joules dans l’inducteur sont données par PJ =ri2 = UexIex
Pertes collectives :
Les pertes collectives correspondent à la somme des pertes fer te des pertes mécaniques.Ces
pertes varient avec la vitesse de rotation et avec le flux électromagnétique. Il est donc
nécessaire de mesurer ces pertes dans les mêmes conditions de vitesse et d’induction que pour
le fonctionnement désiré par la suite.
Pour mesurer ces pertes, on fait un essai à vide :
A vide la puissance utile Pu est nulle, donc :
Puissance utile :
On peut mesurer directement la puissance utile en mesurant la vitesse de rotation à l’aide
d’une dynamo tachymètrique et le couple à l’aide d’une jauge de contrainte.
6.3 Rendement :
Méthode directe :
Méthode des pertes séparées
7. Mesure du rendement au point nominal :
Exercice d’application :
A - Un moteur à courant continu à excitation indépendante (maintenue constante), a un induit
de résistance R= 0,5. Il entraîne un monte-charge tiré par un câble qui s’enroule sur un
cylindre. La transmission entre l’arbre du moteur et l’axe du cylindre a un rendement constant
égal à 0,80 et un rapport de réduction r= ns /n = 1/300 avec ns fréquence de rotation à la sortie
du réducteur et n fréquence de rotation du moteur.
On admet que les pertes mécaniques et magnétiques du moteur sont proportionnelles à
la fréquence de rotation (le couple correspondant est indépendant de la vitesse). Ces pertes
valent 180W lorsque la fréquence de rotation est 1500 tr/min.
1 - Lorsque le moteur soulève la charge, avec une tension d’induit U= 180 V, il absorbe un
courant d’intensité I= 20 A, et il tourne à 1500tours/min. La vitesse de la charge est alors de
0,20 m/s.
Calculer :
1.1 - la f.é.m. du moteur,
1.2 - la puissance électromagnétique et le moment du couple électromagnétique du
moteur,
1.3 - la puissance utile et le moment du couple utile du moteur,
1.4 - la puissance mécanique fournie par la transmission,
1.5 - le moment de la force exercée par la charge sur le cylindre du monte-charge,
1.6 - la masse M de la charge soulevée (on prendra g=10 m/s2),
1.7 - le rayon du cylindre.
2- Pour ramener la vitesse de la charge à 0,1m/s et , par suite, la vitesse du moteur à 750
tours/min , le convertisseur d’alimentation du moteur applique une tension U’ . En
remarquant que le moment du couple électromagnétique développé par le moteur est
constant puisque tous les couples sont indépendants de la vitesse, déterminer les nouvelles
valeurs :
2.1 - de l’intensité du courant dans l’induit,
2.2 - de la f.é.m. ,
2.3 - de U’ .
B - La machine de la partie A est maintenant utilisée ( avec la même excitation ) pour assurer
le freinage à la descente de la charge. La charge a une masse de 1290 Kg et la transmission
conserve le rendement de 0,80. L’induit débite à travers le convertisseur d’énergie (
récupération ) qui lui applique une tension Uf , permettant à la charge de descendre à la
vitesse de 0,20 m/s.
Calculer :
1 - la puissance mécanique reçue par la machine sur son arbre,
2 - sa force électromotrice,
3 - l’intensité du courant dans l’induit,
4 - la valeur de Uf .
C - Les données du paragraphe A résultent d’essais en laboratoire.
1 - La mesure de la résistance d’induit a été faite par la méthode voltampèremétrique, rotor à
l’arrêt, et avec un courant de l’ordre du courant nominal ( 20A ). Sachant que les sources
pouvant débiter 20A ont une tension nominale de 220V, donner le schéma de montage le
mieux adapté et préciser le type et les caractéristiques du rhéostat de réglage de l’intensité.
2 - Pour la détermination des pertes mécaniques et magnétiques :
2.1 - Préciser les conditions de l’essai :
 pour que ces pertes puissent se déduire de la mesure de la puissance absorbée par
l’induit,
 pour que la valeur mesurée corresponde à la valeur des pertes du fonctionnement en
charge.
2.2 - Donner le schéma de montage pratique avec tous les appareils de mesure et de
réglage nécessaires.