MOTEUR A COURANT CONTINU
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FCMN 26 avril 2005 Une machine à courant continu est un convertisseur d'énergie réversible. Elle peut fonctionner en moteur ou en génératrice. La production d'énergie utile souhaitée s'accompagne de la production d'autres formes d'énergies nommées pertes (d'énergies). Deux représentations des machines à courant continu sont d'usage. M M ___ ___ Le symbole est la lettre M pour le moteur, remplacé par la lettre G pour la génératrice. Les machines à courant continu peuvent avoir des caractéristiques physiques selon le mode d'alimentation (d'excitation) des bobines du stator (série, shunt (dérivation), compound ou excitation indépendante). Nous n'étudierons que le moteur à excitation indépendante ou séparée. I- Fonctionnement 1- Étude expérimentale On considère le dispositif expérimental ci-dessous. 1 2 3 4 5 6 Il comprend : 7 - deux bobines (2) et (7) montées en série ; - un rotor bobiné (4) ; - un collecteur (5) et des balais (6) ; - des noyaux ferromagnétiques Circuit d'induit (1) et (3). Circuit inducteur spire d'induit Le rotor alimenté en courant continu est placé dans le champ produit par les deux bobines. collecteur I Le rotor est 1 entraîné en rotation sous l'effet des forces électromagnétiques (de NORD Laplace). 2 2- Principe de fonctionnement PhG-MCC SUD L'induit est placé dans le champ magnétique créé par l'inducteur. Une spire située dans le champ magnétique B est soumise aux forces de Laplace1 et 2. Ce couple de forces provoque la rotation du rotor. Remarque : Une spire est constituée de deux conducteurs droits longitudinaux et de fils de liaison transversaux. Placé dans un champ magnétique B , un conducteur de longueur l parcouru par un courant d'intensité I est soumis à une force F d'intensité : F = B I l sin avec = (B, l ) Le travail W de la force de Laplace pour un déplacement d du conducteur est : W = F d Cas particulier : si = Error! alors sin = 1, on obtient W = B I l d d'où W = B I S. avec = B S on obtient W = I x 3 - Rôle du collecteur La machine à courant continu est constituée de plusieurs conducteurs droits. Il est nécessaire d'adapter le sens du courant dans les conducteurs pour que son effet sur la rotation du rotor soit toujours dans le même sens : c'est le rôle du collecteur. y La force électromagnétique doit changer de sens lorsqu'un conducteur traverse la ligne neutre (x,y). Exercice: Tracer les vecteurs représentants les forces appliquées aux conducteurs droits. 4- Inversion du sens de rotation Pour changer le sens de rotation d'un moteur à excitation indépendante, on inverse le sens du courant, soit dans l'induit, soit dans l'inducteur. II- Constitution FCMN 26 avril 2005 Le moteur comporte 3 organes essentiels : - le stator (1) porte le circuit inducteur constitué de bobines (3) parcourues par des courants. II assure la création et la canalisation du champ magnétique. - le rotor (4) porte l'induit où se crée la force électromagnétique. Il est constitué de conducteurs droits noyés dans des encoches (5). L'induit est baigné par le champ magnétique créé par l'inducteur. - le collecteur (6) assure l'alimentation des conducteurs de l'induit et la commutation, le changement de polarité, nécessaire à la rotation du rotor. Légende 1 Stator (inducteur) 2 Noyau polaire (inducteur) 3 Bobinage (inducteur) 4 Rotor (induit) 5 Encoche (induit) 6 Collecteur 7 Balai 8 Entrefer Remarque 1 : Les moteurs à inducteur bobiné, qui tourne dans les deux sens, sont munis de pôles auxiliaires pour éviter les phénomènes de commutation. Remarque2 :Pour des moteurs de quelques watts, le circuit inducteur est remplacé par un aimant permanent en matériau ferromagnétique. III- Equations des moteurs à courant continu 1- Force contre-électromotrice La force contre-électromotrice (f.c.é.m) E' dans le circuit d'induit, porté par le rotor, a pour expression : E' = n N (1) avec N: nombre de conducteurs actifs ; n : fréquence de rotation ; : flux produit sous un pôle inducteur en webers (Wb). Remarque : l'expression complète de la f.c.é.m est E' = Error! N n avec p : nombre de paires de pôles de la machine a : nombre de paires de voies d'enroulement (partie du bobinage comprise entre deux balais) PhG-MCC - pour un moteur tétrapolaire à 4 balais : 4 pôles d'ou p = 2 et, soit 4 voies d'enroulement, a = 2, soit 2 voies d'enroulement, a = 1 2- Fréquence de rotation De la formule précédente, on tire : n = E' N Si l'on désigne par R la résistance (trés faible) de l'induit qui est le siège de la f.c.é.m, pour une tension d'induit U et un courant I qui le traverse, la loi d'Ohm donne : E ' = U – RI (2) I I RI U équivaut à M E' R d'où U n = Error! (induit seulement) (3) E' La fréquence de rotation, pour un moteur donné, dépend de U, de I et de . Pour un courant d'excitation i donné, le flux est par conséquent fixé, la fréquence de rotation est une fonction affine de l'intensité du courant dans l'induit I. n = – Error! I + Error! Sécurité : Si s'annule (absence d'excitation des inducteurs) la fréquence de rotation tend vers l'infini d'où un risque d'embalement dangereux. Un relais placé dans le circuit inducteur assure une protection à minimum de courant. 3- Démarrage Au moment du démarrage, la fréquence de rotation est nulle. L'expression de l'intensité du courant déduite de (3) est I = Error! d'où Id = Error!. L'intensité Id absorbée par l'induit de trés faible résistance R (quelques centièmes d'ohm) risque de prendre des valeurs destructrices pour le moteur. En conséquence, le moteur doit démarrer progressivement à l'aide d'un système électronique contrôlant l'intensité du courant pendant l'accélération ou grâce à des résitors de démarrage R d progressivement éliminés (démarrage par élimination de résistances automatique ou manuel). + - Rd Calcul du courant de démarrage M ___ Id = Error! Remarque : FCMN 26 avril 2005 Une protection à minimum de tension doit interdire la remise en marche après un manque de tension intempestif (il faut recommencer une procédure de démarrage). IV- Bilan des puissances Un moteur est un convertisseur d'énergie. Cette conversion produit des formes d'énergie inutiles que l'on nomme pertes d'énergies. Un moteur est conçu pour absorber de la puissance électrique et pour fournir de la puissance mécanique. Le bilan des puissances pour un moteur continu à excitation indépendante est le suivant : UI Pa Pu Pe u MOTEUR ui ui = ri 2 RI2 pc 1- Puissance électrique absorbée Pa - par l'induit : UI - par l'inducteur : ui Pa = UI + ui 2- Pertes par effet Joule pj - dans l'induit : RI² - dans l'inducteur : ri² = ui pj = RI² + ri² 3- Puissance électrique utile Peu La puissance électrique utile est la puissance utile du point de vue électrique. Peu = Pa – Pj Peu = (UI + ui) – (RI² – ri²) = UI – RI² avec E' = U – RI d'où Peu = (U – RI) I Peu = E'I 4- Pertes constantes pc Les pertes constantes sont dues aux frottements pméca et aux pertes magnétiques pfer. Elles ne dépendent que très peu du régime de fonctionnement d'ou l'expression pertes constantes. pc = pméca+ pfer 5- Puissance mécanique utile Pu La puissance mécanique utile est la puissance disponible sur l'arbre du moteur. Elle correspond à la différence de la puissance électrique utile et des pertes constantes. Pu = Peu – pc Du point de vue mécanique, la puissance mécanique utile peut être exprimée en fonction de la fréquence de rotation (en tr.s – 1 ) et du moment du couple moteur (en N.m). Pu = 2n.M 6- Rendement Le rendement d'une machine est le rapport de ce qui est disponible en sortie, içi la puissance mécanique utile par ce qui est absorbé en entrée içi la puissance électrique absorbée. PhG-MCC = Error! FCMN 26 avril 2005 Principe de fonctionnement d'une génératrice à courant continu 1- Force électromotrice instantanée dans une spire On considère une machine trés simplifiée comportant une paire de pôles et une spire ouverte sur deux lames de collecteur au rotor. seulement On choisit un sens de parcours positif sur la spire qui détermine la normale orientée n à la surface ( règle de la main droite où règle du tire-bouchon). Le flux qu'elle embrasse alors algébrisé est - La position de la spire dans l'entrefer de la machine est repérée par l'angle entre l'axe des pôles et la normale à la surface n. - On suppose que la vitesse angulaire du rotor est constante. L'origine des temps est telle que = 0 pour t = 0 d'où t - Pour simplifier nous admettrons que le flux embrassé par la spire est une fonction sinusoïdale de ( le champ magnétique dans l'entrefer varie sinusoïdalement avec ) Comme est maximum pour = 0, on peut écrire: = cos = cos t Le flux peut être considé comme une fonction de l'angle ou du temps t. - La spire considéré est le siège d'une f.e.m induite e dont l'expression est donnée la loi de Faraday: e = - d / dt = sin t 2- F.é.m de la machine PhG-MCC par
