machine a courant continu - Physique appliquee en STI

Cours terminale génie mécanique
MACHINE
I.
A COURANT CONTINU
Introduction
Les modes d’utilisation :
machine outils, levage pour faible vitesse
traction , démarreur de voiture forte puissance
ce moteur tend à disparaître en raison de l’entretien chères et de son coût mais reste très
utilisé en faible puissance ( >400 W) pour son fort couple de démarrage et vitesse variable facile
II.
Constitution
1) Structure Voir polycopie
2) Détail
Inducteur : magnétise la machine par un champ magnétique ( permet ou excitation), il est bobine
pour crée le champ magnétique.
Induit : c’est le rotor, il subit les effets de l’inducteur. Il est fait de tôle empile , il ya des
encoche qui permette l’alimentation de la machine. Le courant circule dans ces encoches.
Stator : carcasse de la machine en acier doux massif.
3 types d’excitation :
Aimant permanent
Indépendante
Série (dire que l’on ne va pas voir cette partie)
2 alimentations nécessaires : pour l’induit et pour l’inducteur
3) Vocabulaire
I et U : tension et courant induit
Iexc et Uexc : courant et tension d’inducteur ou d ‘excitation
n : fréquence de rotation en tr/min
Ω : vitesse angulaire en rad/s (rappel de la conversion Ω = n*2pi/60 )
Tem : moment du couple electromagnetique sur le rotor
Tu : moment du couple utile (dispo sur l’arbre de transmission)
III.
Principe de fonctionnement :
1) Réversibilité
Tu
couple
moteur
¨Pelec
MOTEUR
Pelec
GENERATRICE
Pmeca=
vitesse.T
Pmeca
2) Principe
Tout repose sur la force de LAPLACE (refaire rapidement l’exp du rail )
Expliquer d’abord au tableau pour un conducteur puis donner le poly MMC Laplace qu’il complète.
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IV.
Etude du moteur à excitation indépendante.
1) Notion de flux
Tout champ magnétique à travers une surface crée un flux magnétique (analogie avec le débit
d’eau dans un fleuve) On a flux = B . S
Or le champ B dépend du courant donc le flux dépend du courant.
Dans le cas de la machine à courant continu, le champ dépend du courant inducteur, donc le flux
dépend du courant d’excitation Iexc.
2) Création d’une Fem :
Montrer expérience du cadre tournant et faire l’analogie. Création d’une fem induite
L’aimant est le stator et le cadre représente le rotor , on retrouve le même phénomène dans le
moteur
Iexc
3) Schéma équivalent
La F.e.m est crée par le phénomène d’induction
R : résistance bobinage d’induit
L : inductance inducteur.
r : résistance d’inducteur.
R
Uexc
U
Remarque : si l’inducteur est un aimant permanent
on ne le représente pas.
V.
I
r
E
l
Les lois du MCC :
inducteur
1) Expression de la tension U
Refaire le schéma induit et en écrivant la loi des mailles retrouvé :
U = E + RI
2) Expression de la Fem induite E
De quoi dépend E ? D’après ce qui a été dit avant retrouver :
E=kΦΩ
K : constante qui dépend des caractéristique techn du moteur
3) Expression de couple électromagnétique Tem
Même démarche sachant que Tem dépend de la force de Laplace F
F = BLI donc Tem dépend de B donc du flux et de I
Tem = k Φ I
K : même constante que précédemment
I courant d’induit.
4) Remarque
Si le flux est constant alors k Φ = constante = K, on peut alors écrire :
E = K Ω
Et
Tem = KI
5) Expression de la puissance électromagnétique Pem
D’après les relations
P=T.Ω
Tem = k Φ I
On en déduit que Pem = Tem . Ω
Donc Pem = E . I
et
E=kΦΩ
induit
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VI.
Bilan de puissance :
1) Les différentes pertes :
-
-
les pertes Fer( ou magnétiques) :PF
causes : hystérésis et courant de Foucault
parades : matériau à cycle étroit( fer au silicium) et feuilletage.
Les pertes joules : PJ
Causes : résistance induit et inducteur
Les pertes mécaniques : Pm
Causes : Frottements
Parades : lubrifiants, roulement à billes.
En général, on associe les pertes fer et mécanique en pertes constantes, on écrit :
PF + Pm = PC
2) Bilan
Pem = E..I
Tem.vitesse
Pa = U.I
induit
Pu = Tu. vitesse
Pm
Pae = Ue.Ie
inducteur
Pfer
Pj = RI²
induit
Pc = Pm + Pfer
Pj
inducteur
relation :
Pinduit = Pj + Pc + Pu
Pem = Pu + Pc ou Tem = Tu + Tc
3) Rendement
On écrit le rendement :
η = Pu / (Pinduit + Pinducteur) si aimant permanent η = Pu / Pinduit
VII.
Point de fonctionnement :
1) Qui impose quoi ?
Si on impose Tu, alors Tem est fixe or Tem = k Φ I donc I est fixé car k Φ est fixe et constant.
E = U – RI = k Φ Ω donc U commande la vitesse ( quand u augmente , vitesse augmente)
2) Caractéristique mécanique
C’est le couple en fonction de la vitesse.
Il ne varie pas en fonction de la vitesse.
Tem
3) Caractéristique de charge
Feuille poly
vitesse
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4) Point de fonctionnement
VIII.
Les problèmes du moteur
1) Le démarrage
240 V
R
M
240 V
E= 0
Au démarrage, E = k Φ Ω = 0 donc U = RI = 240 V soit I = 240 A si R = 1, c’est impossible
Solution :
- rhéostat de démarrage
- augmentation progressive de la tension U jusqu’à la
valeur nominale ( industrielle, utilisation du pont
U
mixte ou du hacheur en faible puissance)
E= 0
2) emballement
si Iexc diminue
U = E + RI
U = k Φ Ω + RI
U est fixé par l’alimentation, RI est fixe par le couple Tu donc
Φ Ω = U – RI / k = constante
Si Iexc diminue alors Φ diminue donc il faut que Ω augmente pour que le produit reste
constant
R