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La machine à courant continu… Le moteur à courant continu à excitation séparée. Par O. CRELEROT Lycée Raoul Follereau, Belfort Repris et complété par J.Y. RENOU Lycée Jules Haag, Besançon 1 Le moteur à courant continu s’utilise beaucoup dans l’industrie (pompe, laminoir) , la robotique et la domotique, les jouets, la traction ( locomotives), l’automobile (essuie glace, démarreur) et l’électroménager. Les moteurs à courant continu sont généralement associés à un dispositif qui permettent de régler leur vitesse. Ce sont les redresseurs ou les hacheurs. S’ils sont branchés sur le secteur (ex : perceuse ), c’est que le dispositif qui alimente le moteur est précédé d ’un redresseur. 2 La conversion énergie électrique énergie mécanique fait appel aux machines tournantes. Parmi elles, se trouve la machine à courant continu. Moteur énergie électrique énergie mécanique Génératrice Mais, comment ça marche ? 3 Examinons cette machine de plus près. 4 La machine à courant continu c’est : •Un élément fixe, le stator •Un élément tournant, le rotor •Un système balais / collecteur permettant d'établir le contact électrique avec le rotor et qui assure un effet de redressement mécanique 5 Dans cette machine simplifiée, le stator, ou inducteur possède deux pôles. Il a pour rôle de créer un champ magnétique, orienté du pôle nord vers le pôle sud. I N BS S Le stator peut être : • à aimants permanents. Le flux magnétique est alors constant. • bobiné alimenté en continu. Le flux est alors réglable par l'intensité du courant I 6 Au rotor, ou induit, sont disposées des spires. L'une au moins d'entre elles est en contact électrique avec les balais, grâce au collecteur. I 7 Machine en éclaté. 8 Comment le rotor tourne ? 9 Faisons circuler un courant I dans la spire horizontale du rotor. Plongée dans champ magnétique radial du stator, elle se trouve alors soumise à un couple de forces de Laplace, tangentielles. Le sens de ces forces est tel qu'elles entraînent le rotor en rotation. F I BS BS F BS I F I F Au cours de la rotation, une autre spire sera alimentée par les balais. C ’est le rôle du collecteur L'effet moteur sera ainsi entretenu. I C'est le fonctionnement en moteur 10 Conséquence de la rotation. Apparition d’une tension induite aux bornes du collecteur. 11 Le rotor étant entraîné dans un mouvement de rotation, chacune de ses spires « coupe le flux magnétique » du stator et devient le siège d'une force contre-électromotrice *notée E. * Elle tend à faire circuler un courant contraire au courant I En moyenne, cette f.e.m. E est proportionnelle la vitesse et au flux statorique E I A retenir E =k V Wb rad/s 12 Relations entre les vitesses La vitesse angulaire s’exprime en rad/s. La vitesse commune n s’exprime en tour par minute ou tr/min. La relation entre ces vitesses est : 1)=2f 2 ) f fréquence en Hz représente le nombre de tour par seconde 3 ) Il y a 60 secondes en une minute tr/min A retenir... =2f =2 n 60 rad/s 13 La même machine peut fonctionner également en génératrice. Pourquoi ? 14 Pour que la f.e.m. existe, il suffit que les spires du rotor coupent le flux du stator. En entraînant mécaniquement le rotor en rotation, on produit cette f.e.m. I BS BS Si le circuit est fermé par une charge, un courant y circule I C'est le fonctionnement en génératrice. 15 Bilan des modes de fonctionnement 16 Animations pour comprendre les principes physiques de la machine à courant continu. 1) La force de Laplace 2) Le principe de la génératrice 3) Le principe du moteur 17 Modèle électrique équivalent de la machine (qu’elle soit en moteur ou en génératrice). 18 Nous avons vu que le rotor était le siège d'une force électromotrice E = k . Par ailleurs, comme tout conducteur, il présente une résistance équivalente R Voici alors le modèle équivalent du rotor : A retenir E I I R R U M U E U = E + RI V V A I U Remarque : la convention récepteur convient bien pour le moteur. Pour une génératrice on peut changer le sens du courant et écrire U=E-RI 19 Bilan de puissance en fonctionnement moteur. 20 En fonctionnement moteur Pem=EI La machine absorbe au rotor la puissance Pabs=UI Elle perd par effet Joule la puissance PJ=RI2 Il reste la puissance électromagnétique Pem=EI Si l'on néglige toute autre forme de perte cette puissance correspond à la puissance mécanique fournie par le moteur E Pstator A retenir Pabs = Pj + Pem (en W) UI = RI2 + EI Remarque : Si le stator est à rotor bobiné, il faut compter comme puissance absorbée totale Pabs totale = Pabs + Pstator R I U PJ=RI2 Pabs=UI 21 Cependant dans toute machine tournante, des pertes d ’énergie ( donc de puissance) dues aux pièces en mouvement viennent diminuer la puissance réellement disponible sur l’arbre moteur : ces pertes sont mécaniques ( ventillation, frottements et vibrations mécaniques ) mais également magnétiques ( pertes dans le circuit magnétique du rotor ). L’ensemble de ces pertes peut être considéré comme constant et indépendant de la vitesse et de la charge mécanique entraînée. On les note Pc. Ainsi la puissance électromagnétique Pem=EI ne se retrouve pas totalement en sortie : ce n’est pas la puissance utile qui entraîne la charge. La puissance utile qui entraîne la charge est donc : Pu = Pem - Pc Si l'on néglige les pertes au rotor Pc, on retrouve comme puissance utile mécanique, la puissance électromagnétique 22 Couple électromagnétique. Couple mécanique utile pour le moteur. 23 Relation de la mécanique Puissance électromagnétique W Pem Tem = = Couple électromagnétique Vitesse de rotation Nm rad/s A retenir Tem = k I Nm Wb A EI kI = Remarque : Si l'on néglige toute autre forme de perte que par effet Joule, le couple électromagnétique correspond au couple mécanique fourni par le moteur. 24 Si on tient compte des pertes dites constantes Pc (dues aux pertes mécaniques et magnétique du rotor), le couple utile est plus faible que le couple électromagnétique car il Tc = y a un couple de pertes : Puissance perdue W Pc Couple de perte Vitesse de rotation Puissance utile W Tu = Pu = Nm Pem - Pc Vitesse de rotation Couple utile mécanique rad/s Nm Rappel : Tem = k I rad/s = Tem - Tc A retenir Pu = Pem - Pc En W Soit : Tu = Tem - Tc En Nm 25 Graphe du bilan de puissance. Rendement Pabs=UI Pem=TemW = EI Pu=Tu. (Pe=uie) Si la machine est à aimants permanents ( soit sans excitation d ’inducteur), la puissance ue.ie n’intervient pas et il n ’y a perte par effet joules dans l ’inducteur Pertes A retenir : Le rendement : =Pu / [Pabs (+Pe)] 26 Bilan. 27 Force électromotrice ou fem Équation et modèle électriques U = E + RI E =k V Wb V Rad/s Nm Wb A I I Couple électromagnétique R U Tem = k I V M U E A Bilan de puissance pour un moteur à aimant Pabs = Pj + Pem UI = RI2 + EI (en W) Pem = Pc + Pu (en W) Tem = Tc + Tu (en Nm) Rendement pour un moteur à aimant =Pu / Pabs FIN 28
