Tp 1 mcc à excitation en série

TP Entrainement Electrique
Mai 2014
TP 1 : Variation de vitesse d’un moteur à courant continu à excitation série par des
résistances
Objectif de la manipulation :


Obtention de la caractéristique mécanique d’un moteur à courant continu à excitation
en série.
Variation de la vitesse du moteur par des résistances.
I. La partie théorique :
On considère le cas simple d’une machine bipolaire (Fig. 1)
L’inducteur, au stator, est la partie fixe. Parfois c’est un aimant permanent, pour les petites
puissances, mais en général c’est un électroaimant constitué de deux bobines en série qui,
alimentées en courant continu, créent un pôle nord et un pôle sud (Fig. 2). Le champ
magnétique dans l’entrefer est maximal dans l’axe des pôles, et nul dans la direction
perpendiculaire à cet axe, appelée ligne neutre.
L’induit, au rotor, est la partie tournante. C’est un cylindre ferromagnétique feuilleté
constitué d’encoches dans lesquelles sont répartis des conducteurs. C’est un enroulement
fermé sur lui-même. Calé sur le rotor se trouve le collecteur, constitué de lamelles
conductrices isolées entre elles. Le courant est acheminé dans le cas du moteur, ou récupéré
dans le cas de la génératrice, grâce à deux balais en carbone frottant sur le collecteur.
Fig 1 : Moteur Bipolaire
Fig 2 : L’inducteur
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Rôle du collecteur. Il change le sens du courant (commutation) dans les conducteurs lors du
franchissement de la ligne neutre, permettant ainsi aux forces d’agir dans le même sens
(Fig. 3). Le collecteur est un onduleur de courant tournant (dans le cas du moteur).
Fig.3
Expression de la fém en régime continu
L’induit étant en rotation, les conducteurs coupent le flux magnétique inducteur et sont le
siège d’une tension induite alternative. Le collecteur redresse cette tension ; le nombre
d’encoches étant important, la fém E entre les balais est quasiment continue. Elle est donnée
par l’expression suivante :
𝐸 = 𝑘. 𝑁. ∅(𝐼𝑒 )
On a
Ω = 2𝜋. 𝑁
Si on pose 𝑘 ′ =
𝑘
2.𝜋
on peut ecrire : 𝐸 = 𝑘 ′ . Ω. ∅(𝐼𝑒 )
Avec :
E : fém (V) ; N : nombre de conducteurs actifs de l’induit ; ∅ : flux sous un pôle de
l’inducteur (Wb) ; N et Ω : vitesse de rotation (N en tr/s, et Ω en rad/s).
Modèle de l’induit (Fig.4)
L’équation électrique du circuit de l’induit, selon
le modèle est donnée par :
U = E + RI
E : fém (V) ;
U : tension d’induit (V) ;
I : courant d’induit (A) ;
R : résistance d’induit (Ω) qui tient compte de
l’enroulement, du collecteur et des balais.
Fig.4
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Pour un moteur série, le circuit de l’induit et de l’inducteur sont en série, donc la résistance de
l’inducteur est ajoutée à celle de l’induit et le modèle du moteur devient, voir la fig.5 :
U = E + RTI avec RT = R + r (R : résistance de l’induit et r : résistance de l’inducteur).
Fig.5
Moment du couple électromagnétique :
Lorsqu’un courant I circule dans l’induit, du moteur à courant continu, il apparaît un couple
électromagnétique Ce créé par les forces de Laplace qui s’exercent sur les conducteurs de
l’induit.
L’expression du couple est donnée par:
𝐶𝑒𝑚 =
𝑘
. ∅. 𝐼
2. 𝜋
Ou :
Avec 𝑘 ′ =
𝑘
𝐶𝑒𝑚 = 𝑘 ′ . ∅. 𝐼
2.𝜋
Et dans le cas d’un moteur à courant continu à excitation série, comme le courant dans l’induit
est le même que dans l’inducteur, l’expression du couple devient :
∅ = 𝑘1 . 𝐼
𝐶𝑒𝑚 = 𝑘 ′ . 𝑘1 . 𝐼 2
Avec 𝑘 ′′ = 𝑘 ′ . 𝑘1
𝐶𝑒𝑚 = 𝑘 ′′ . 𝐼 2
La caractéristique mécanique du moteur :
La caractéristique mécanique du moteur est donnée par la fonction Ω=f(Cem) qui exprime la
variation de la vitesse de rotation en fonction du couple électromagnétique.
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En se basant sur les équations générales, déjà abordées ci-dessus, on peut établir l’expression
de mathématique de la caractéristique.
On a :
𝑈 = 𝐸 + 𝑅𝑇 . 𝐼 = 𝐸 + (𝑅 + 𝑟). 𝐼
𝐶𝑒𝑚 = 𝑘 ′′ . 𝐼 2
𝐸 = 𝑘 ′ . Ω. ∅(𝐼𝑒 )
∅ = 𝑘1 . 𝐼
𝐶𝑒𝑚 = 𝑘 ′′ . 𝐼 2
𝐸 = 𝑘 ′ . 𝐾1 . Ω. 𝐼 = 𝐾 ′′ . Ω. 𝐼
′′
𝑈 = 𝐾 . Ω. 𝐼 + (𝑅 + 𝑟). 𝐼
𝐶𝑒𝑚
𝐼 = √ ′′
𝑘
′′
𝑈 = (𝐾 . Ω. +(𝑅 + 𝑟)) . 𝐼
𝐶𝑒𝑚
𝐼 = √ ′′
𝑘
Ω=
𝑈
𝐾′′ . 𝐼
−
𝑅+𝑟
𝐾′′
On peut donc écrire l’expression de la vitesse Ω en fonction du couple électromagnétique :
𝑈
Ω=
−
𝐶
𝐾 . √ 𝑒𝑚
′′
𝑘
′′
Ω=
𝑈
√𝐾′′ . 𝐶𝑒𝑚
−
𝑅+𝑟
𝐾′′
𝑅+𝑟
𝐾′′
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On a donc l’expression de la caractéristique mécanique, qui selon sa forme mathématique, elle
est de forme hyperbolique.
La variation de la vitesse du moteur à courant continu à excitation série :
La variation de vitesse peut etre obtenu en agissant sur les valeurs des grandeurs qui
apparaissent dans l’expression de la caractéristique mécanique.
 L’action sur la valeur de la tension par le moyen d’un dispositif de puissance.
 L’action sur la valeur des résistances (R+r) en additionnant une résistance en série ou
en parallèle avec le circuit de l’excitation.
La deuxième méthode est l’objet de notre manipulation.
II. Partie expérimentale :
Compréhension :
 Voir le schéma affiché, comprendre son fonctionnement.
 Comprendre le fonctionnement du stand
Fig.6 L’image du circuit
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Manipulation :
Pour les besoins de la manipulation, on dispose d’une charge mécanique sous forme d’un
frein. En variant la tension de son alimentation, on peut obtenir différentes valeurs du couple
charge.
1. Relever la caractéristique naturelle de la machine : Sans modifier les résistances
internes, donc sans brancher de résistance, ni en série ni en parallèle, pour différentes
valeur du couple charge on mesure la vitesse de rotation du moteur.
2. Relever deux caractéristiques artificielles du moteur série :
a. La première, en ajoutant une résistance en série avec le circuit d’excitation,
puis en mesurant les vitesses pour différentes valeur de couple.
b. La deuxième, en ajoutant une résistance en parallèle avec le circuit
d’excitation.
Les données récupérées sont à présenter dans le tableau suivant, pour les trois cas suivants :
Rsh= 0 et Rs=0 ; Rsh= 0 et Rs>0 puis Rsh> 0 et Rs=0
C (kg/m)
N Tr/mn
3. Représenter graphiquement l’évolution du couple en fonction de la vitesse.
4. Interpréter les courbes obtenues
Conclusion :
Conclure en précisant l’objectif de la variation de la vitesse et les moyens à mettre en œuvre
pour la réaliser
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