la machine a courant continu

Terminale Génie Électrotechnique
Chapitre 4
LA MACHINE A COURANT CONTINU
1. PRÉSENTATION
1. Définition
Une machine à courant continu est un convertisseur d’énergie.
Elle peut fonctionner en moteur ou en génératrice, on dit que c’est une machine
réversible.
Quand elle fonctionne en moteur, l’énergie électrique est transformée en énergie
mécanique.
Energie
électrique
fournie
Energie
mécanique
utile
Moteur
Pertes
d’énergie
Quand elle fonctionne en génératrice, l’énergie mécanique est transformée en énergie
électrique.
Energie
mécanique
fournie
Génératrice
Energie
électrique
utile
Pertes
d’énergie
L’énergie mécanique est présente sous la forme d’un couple de moment T tournant à
la vitesse angulaire Ω.
L’énergie électrique, elle, se manifeste sous forme de tension et de courant continus.
La MCC est très utilisée comme moteur à vitesse variable dans une gamme de
puissance allant de quelques milliwatts à quelques mégawatts.
2. Composition
La machine comporte un stator composé d’un circuit magnétique comprenant une
couronne annulaire massive ou feuilletée à laquelle sont fixés des pôles saillants. Ces
pôles sont de deux types :
-
Les pôles inducteurs :
Généralement feuilletés portent un ou plusieurs enroulements d’excitation
alimentés en continu.
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-
Chapitre 4
Les pôles auxiliaires ou de commutation :
Feuilletés ou massifs disposés entre les pôles inducteurs selon les axes
interpolaires dits axes neutres, ils portent un enroulement connecté en série
avec l’enroulement rotorique. Ils servent à compenser la réaction
magnétique de l’enroulement rotorique et à améliorer la commutation.
Le rotor ou induit comporte un circuit magnétique feuilleté muni d’encoches
régulièrement distribuées à la périphérie. Les conducteurs logés dans les encoches
sont connectés en série et forment un enroulement fermé sur lui-même.
On peut rencontrer deux types de MCC :
-
la source de champ magnétique est constituée d’aimants permanents → il
n’y a qu’un seul bobinage : l’induit.
la source de champ magnétique est un courant → il y a deux bobinages :
l’inducteur et l’induit.
Encoches pour les
conducteurs de l’induit
Rotor
(induit)
Bobines
d’excitation
Stator
(inducteur)
Collecteur et balais
Entrefer
rem : une machine est dite bipolaire si elle comporte un pôle nord et un pôle sud
(deux pôles)
tétrapolaire → 4 pôles
hexapolaire → 6 pôles
3. Représentation schématique
iex
I
U
MCC
uex
Induit
Inducteur
2
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2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
1. Fonctionnement en moteur
L’inducteur crée un champ magnétique constant.
L’induit, alimenté par un courant continu et plongé dans ce champ magnétique est
donc soumis à une force électromagnétique qui le met en rotation autour de son axe.
2. Fonctionnement en génératrice
L’inducteur crée un champ magnétique constant.
L’induit n’est pas alimenté. Par contre, il est entraîné dans un mouvement de rotation
par un autre moteur couplé sur son axe. Il y a alors apparition d’une force
électromotrice (f.é.m.) induite à ses bornes (cf. induction électromagnétique) et donc
d’un courant induit.
3. Force électromotrice induite
On démontre que la f.é.m. induite qui apparaît aux bornes de l’induit peut s’écrire :
E = k.Φ .Ω
E en Volts
k est une constante qui dépend de la géométrie de la machine.
Φ est le flux utile sous un pôle de la machine exprimé en Weber (Wb).
Ω est la vitesse de rotation du rotor exprimée en rad.s-1.
On peut encore l’écrire sous les formes suivantes :
E = N.n.Φ
N est le nombre de conducteurs actifs de l’induit.
n est la fréquence de rotation du rotor exprimée en tr.s-1.
ou
p
E = .N .n.Φ
a
p est le nombre de paires de pôles du stator.
a est le nombre de voies d’enroulement.
Déf. : L’ensemble des conducteurs parcourus pour aller d’un balai à l’autre constitue
une voie d’enroulement.
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rem : le flux utile sous un pôle Φ dépend du courant d’excitation qui traverse le
stator. Dans le cas d’une machine à aimants permanents ou d’une machine dont
le courant d’excitation est constant, ce flux est constant et on peut alors écrire :
E = K.Ω o u E = K ' n.
4. Moment du couple électromagnétique
Si l’induit est traversé par un courant I et qu’il présente à ses bornes une f.é.m. E, il
reçoit une puissance électromagnétique :
Pem = E.I
D’après le principe de la conservation de l’énergie, cette puissance est égale à la
puissance développée par le couple électromagnétique tournant à la vitesse
angulaire Ω, on a donc :
Tem .Ω = E.I avec E = k .Φ .Ω
Te m = k.Φ .I
d’où
(Tem en N.m)
5. Commutation
On appelle commutation le processus conduisant au changement du sens de courant
dans un conducteur d’induit lorsqu’il franchit l’axe magnétique défini par la position
des balais.
6. Modélisation
a.
Fonctionnement moteur
L’induit peut être modélisé par son MET (l’induit est alimenté et reçoit un
courant I) :
R
I
On a alors :
E
U
4
U = E + R.I
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b.
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Fonctionnement génératrice
L’induit peut être modélisé par son MET (l’induit produit un courant induit I) :
R
I
U
E
3. DIFFÉRENTS MODES D’EXCITATION
1. Excitation séparée
Une machine est dite à excitation séparée quand l’excitation est fournie par une autre
source que la machine elle-même.
iex
I
U
MCC
uex
Induit
Inducteur
2. Auto-excitation
Une machine est dite auto excitée quand elle produit elle-même son excitation. Il
existe différents types d’auto excitations qui se différencient selon la façon dont
l’enroulement inducteur est connecté à celui de l’induit.
a. Excitation shunt (en dérivation)
Les machines à excitation shunt sont munies d’un enroulement
connecté en parallèle avec l’induit.
I
U
MCC
Induit
5
iex
Inducteur
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b. Excitation série
Les machines à excitation série sont munies d’un enroulement
connecté en série avec l’induit.
MCC
I
U
4. FONCTIONNEMENT EN GÉNÉRATRICE
1.
Fonctionnement à vide (I=0A)
A vide, I=0A ce qui entraîne que U = E.
La caractéristique à vide est la courbe E=f(iex) à vitesse de rotation constante.
rem : comme I = 0A, la MCC ne fonctionne ni en moteur, ni en génératrice, cette
courbe sera donc utilisable quelque soit le fonctionnement de la MCC.
E
Ω = cstte
iex
2. Fonctionnement en charge
R
Schéma équivalent :
I
U
E
Equations des caractéristiques :
MCC →
Charge→
U = E – R.I
U = RC.I
6
RC
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Théoriquement, le point de fonctionnement est le point P de concours de ces deux
caractéristiques (cf. courbe).
U
P
Charge
MCC
P’
I
Or la caractéristique réelle de la MCC est celle tracée en rouge sur la courbe. Pour de
fortes valeurs de l’intensité du courant d’induit I, il y a apparition d’une diminution
de la f.é.m. de la MCC : EC < E0 .
Ce phénomène est appelé réaction magnétique de l’induit.
rem : on peut atténuer, voire même supprimer cette réaction magnétique de l’induit
grâce à un enroulement de compensation placé au stator, au voisinage des pôles
inducteurs et parcouru par le courant d’induit.
5. BILAN DES PUISSANCES – RENDEMENT
1. Fonctionnement en moteur
a. Bilan des puissances
On se limitera au cas du moteur à excitation indépendante.
pf
P
PU
Induit
pJ
pJe
Pe
Inducteur
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pm
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Le moteur reçoit :
- à l’induit :
- à l’inducteur :
P = U.I
Pe = uex.iex
rem : Pe est entièrement convertie en chaleur.
Le principe de conservation de l’énergie implique donc :
P = PU + ∑ p e r t e s
PU est la puissance utile fournie à la charge entraînée par la MCC.
PU = TU .Ω
Où TU est le couple utile.
!
∑
pertes ne tient pas compte de Pe !
b. Nature des différentes pertes
-
Les pertes par effet Joule dans l’induit :
pJ = R.I 2
-
Les pertes mécaniques : pm (elles sont notamment dues aux
frottements et sont proportionnelles à n)
-
Les pertes dans le fer : pf (elles regroupent les pertes par
hystérésis et par courants de Foucault et varient avec B et n)
⇒
∑
p e r t= e Rs.I 2 + pm + p f
On a donc les relations suivantes :
Pe m = P − pJ = U .I − R I² = E.I
Pu = Pe m − ( pm + p f ) = TU .Ω
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c. Rendement
Il est donné par :
η =
PU
P + Pe
rem : pour les MCC à aimants permanents, Pe = 0W.
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d. Méthode des pertes séparées
Les pertes par effet Joule peuvent être calculées pour un courant I
donné après avoir mesuré la résistance R de l’induit à chaud.
L’ensemble des pertes mécaniques et pertes dans le fer (p m + pf) est
fourni par un essai à vide dans lequel ces pertes ont la même valeur
que lors du fonctionnement en charge prévu. Pour cela, il faut que les
deux essais soient réalisés à la même fréquence de rotation et même
excitation.
Essai à vide :
I0
iex
U0
Ω
MCC
uex
TU=0N.m
U 0 .I 0 = R.I 02 + pm + p f + PU
= R.I 02 + ( pm + p f ) + 0 (TU = 0)
( pm + p f ) = U 0 .I0 − R.I 02 = E0 .I 0
On appelle pertes constantes la somme des pertes mécaniques et des
pertes fer :
pC = ( pm + p f )
e. Couple de pertes, couple utile
On peut écrire :
Pem = PU + ( pm + p f )
= PU + pC
Tem .Ω = TU .Ω + pC
Tem = TU +
pC
Ω
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On fait correspondre à pc un couple de pertes Tp tel que :
Tp =
pC
Ω
. On a alors :
Tp = Te m − TU
2. Fonctionnement en génératrice
I
iex
U
La génératrice reçoit :
Elle fournit :
Ω
MCC
uex
P
=
P
M
+
P
=
T
Ω
+
P
e
M .
e
PU = U.I
On a alors les relations suivantes :
P
e
m
P
u
=
P
−
( pm
M
=
P
e
m
−
pJ
+
p f
)
=
U .I
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3.
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Caractéristique TU(n)
a. Moteur à excitation séparée
Tu
n
6. MACHINE À EXCITATION SÉRIE
4. Modèle équivalent de Thévenin
Il est identique à celui d’une MCC à excitation séparée mais dans la résistance, on
tiendra compte de la résistance de l’inducteur :
R
I
R = Rinduit + Rinducteur
U
E
5.
Bilan de puissances
pf
pJe
Pabs
pm
Inducteur P
PU
Induit
P
pJ
Pu = Pabs – pje – pj – pf - pm
Remarques :
-
Les formules donnant la f.é.m. et le moment du couple
électromagnétique reste identiques mais il faut faire attention au fait
que le flux Φ dépend maintenant du courant d’induit I.
-
D’après la relation U = E + R.I = k.Φ.Ω + R.I , on obtient
Ω = U − R.I avec Φ dépendant de I. Donc quand I devient faible, Φ le
k.Φ
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Chapitre 4
devient aussi et donc Ω devient très grand : c’est pourquoi on démarre
ce moteur en charge pour éviter l’emballement.
-
De même on a Tem = k.Φ.I avec Φ dépendant de I. Au démarrage
(moteur chargé) le courant est important donc le moteur à excitation
série possède un couple électromagnétique et un couple utile
importants au démarrage. (avantage pour la traction)
6. Démarrage et arrêt
Câbler le moteur et sa charge.
Démarrage :
circuit d’alimentation du moteur hors tension, on charge celui-ci.
Augmenter depuis 0 V la valeur de la tension U d’alimentation.
Arrêt :
-
7.
Diminuer jusqu’à 0 V la tension U d’alimentation du moteur et
mettre le circuit d’alimentation hors tension, le moteur demeurant
chargé.
Annuler la charge du moteur.
Caractéristique Tu (n)
Tu
n
rem : pour ce moteur, il ne faudra donc pas le démarrer sans lui opposer un couple
résistant sous peine d’emballer le moteur.
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