Une machine à courant continu est une machine électrique

I) But du TP :
- Réaliser le montage
- Comparer les résultas et faire la différence avec la machine a courant continue en série.
- Variation du courant a excitation le courant d’induit et faire des rapport avec la variation de
la vitesse W.
II) Partie Théorique :
1- Une machine à courant continu est une machine électrique : convertisseur
électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation
électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique.
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
En fonctionnement moteur l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique.
En fonctionnement générateur l'énergie mécanique est transformée en énergie
électrique. La machine se comporte comme un frein. La génératrice à courant continu
est aussi appelée dynamo
Inventeur officiel : Zénobe Gramme. C'était au départ un simple générateur de courant
continu (pour applications galvanoplatiques, par exemple, les accumulateurs étant onéreux).
Un ouvrier des usines Gramme ayant par erreur branché un dispositif à l'envers, on découvrit
ainsi par hasard son utilisation possible comme moteur.
Une machine électrique à courant continu est constituée :p
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
D'un stator qui est le siège d'un champ magnétique fixe Bs créé soit par des
enroulements statoriques soit par des aimants permanents. Ce stator est aussi
appelé inducteur en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.
D'un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité dans chaque
enroulement statorique au moins une fois par tour et qui permettent de créer un champ
magnétique rotorique en quadrature avec le champ statorique. Les enroulements
rotoriques sont aussi appelés enroulement d'induits en référence au fonctionnement en
génératrice de cette machine.
Le schéma de ce type de machine est donc le suivant :
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Le courant I, injecté via les balais au collecteur, traverse un conducteur rotorique
(=une spire rotorique) et change de sens (="commutation") au droit des balais. Afin
d'éviter une surtension, on dispose les balais sur la « ligne neutre » (=zone où la
densité de flux est nulle). Cette ligne peut néanmoins se déplacer selon que la machine
travaille à forte ou à faible charge. Une surtension risque alors d'apparaître dans la
spire qui commute et provoquer la destruction progressive du collecteur. Pour pallier
cela, c-à-d compenser la réaction d'induit, on utilise des pôles de commutation.
Le champ statorique (Bs sur le schéma) agit sur les conducteurs rotoriques traversés
par l'intensité I : la force de Laplace (FL sur le schéma) qui résulte de cette interaction
est identique en module pour deux conducteurs rotoriques diamétralement opposés
mais comme ces courants sont en sens inverse grâce au système balais- collecteur, les
forces sont aussi de sens opposés.
La force ainsi crée est proportionnelle à I et à Bs. Le couple moteur T est donc lui aussi
proportionnel à ces deux grandeurs.
La tige conductrice traversée au rotor par le courant I se déplace soumis au champ
startorique Bs. Elle est donc le siège d'une force contre-électromotrice (FCEM) induite
(loi de Faraday-Lenz) proportionnelle à Bs et à sa vitesse de déplacement donc à la
fréquence de rotation. L'ensemble de ces forces contre-électromotrices à pour
conséquence l'apparition d'une force contre-électromotrice globale E aux bornes de
l'enroulement rotorique qui est proportionnelle à Bs et à la vitesse de rotation du
moteur.
Pour permettre au courant I de continuer à circuler, il faudra que l'alimentation
électrique du moteur délivre une tension supérieure à la force contre-électromotrice E
induite au rotor.
D'autre part on a deux équations électromécaniques :


- La force contre électromotrice : E = Cte . Bs. Ω (Ω = fréquence de rotation en rad/s).
- Le couple électromécanique (moteur ou résistant) : T = Cte . Bs. Ii
On peut montrer que les constantes sont les mêmes pour les deux lignes, ce qui implique :

E. Ii = T. Ω ou « Puissance électrique utile » = « Puissance mécanique »
Imaginons une machine électrique alimentée par une source de tension U. Lorsque le moteur
tourne à vide (il ne fait pas d'effort) il n'y a pas besoin de fournir de couple, Ii est très faible et
U ≈ E. La vitesse de rotation est proportionnelle à U.

fonctionnement en moteur
Lorsque l'on veut la faire travailler, cela la freine donc E diminue.
Comme U reste constante, le produit Ri.Ii augmente donc Ii augmente, donc le couple T
augmente lui aussi et lutte contre la diminution de vitesse : c'est un couple moteur
Plus on le freine, plus le courant augmente pour lutter contre la diminution de vitesse. C'est
pourquoi les moteurs à courant continu peuvent « griller » lorsque le rotor est bloqué.

fonctionnement en génératrice
Si une source d'énergie mécanique essaie d'augmenter, la vitesse de machine Ω augmente
donc E augmente.
Comme U reste constante, le produit Ri.Ii devient négatif et augmente en valeur absolue, donc
Ii augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre l'augmentation de vitesse :
c'est un couple résistant
Le signe du courant ayant changé, le signe de la puissance consommée change lui aussi. La
machine consomme une puissance négative, donc elle fourni de la puissance au circuit. Elle
est devenue génératrice
Machine à excitation constante
C'est le cas le plus fréquent : Bs est constant car il est créé par des aimants permanents ou bien
encore parce que Ue donc Ie sont constants.
Si l'on pose : Cte . Bs = K, les équations du paragraphe précédent deviennent :

o
o
o
U = E + Ri.Ii
E =K . Ω
T = K . Ii
Moteur série
L'excitation série étant aujourd'hui réservé à des moteurs, il n'est pas habituel d'utiliser le
terme de machine à excitation série'.
Ce type de moteur est caractérisé par le fait que le stator est monté en série électrique avec le
rotor.


Donc le même courant traverse le rotor et le stator : Ii = Ie = I
et la tension d'alimentation U = Ui + Ue
Bs = ke . I
Les équations de la machine deviennent :
o
o
o

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U = E + Ri.I + Re . I = E + (Ri + Re) . I
E = k . ke . I . Ω = K . I . Ω
T = k . I . ke . I = K . I2
Les équations ci-dessus permettent de montrer que les moteurs à excitation série
peuvent développer un très fort couple à basse vitesse, c'est pourquoi ils ont été
utilisés pour réaliser des moteurs de traction de locomotives jusque dans les années
1975.
Aujourd'hui, les principales applications sont :
o les démarreurs d'automobiles.
o les moteurs universels (perceuses, ...) : le couple T = K. I2 reste de même sens
quel que soit le signe de I. La seule condition pratique pour qu'un moteur série
soit un moteur universel est que son stator doit être feuilleté. (Remarque : une
perceuse fonctionne très bien en continu : essayez de la brancher sur votre
batterie d'automobile, ce n'est que du 12 V et elle tourne ...)
Excitation Shunt :
Dans le moteur shunt le stator est monté en parallèle avec le rotor. Il n'y a plus beaucoup
d'application à ce montage.
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Donc la tension aux bornes du rotor est la même que celle aux bornes du stator : Ui =
Ue = U
o Bs = ke . Ie K . U
Les équations de la machine deviennent :
o
o
o
U = E + Ri.Ii
E = K. U. Ω
T = K. U. Ii
Excitation composée ou Compound
Dans le moteur compound une partie du stator est monté en série électrique avec le rotor et
une autre est de type parallèle ou shunt.

Ce moteur réunit un stator serie et un shunt, les avantages des deux types de moteur :
fort couple à basse vitesse mais qui ne s'emballe pas à vide (emballement = vitesse
excessive).
Avantages et inconvénients :
Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou charbons et le
collecteur rotatif.




Plus la vitesse de rotation est élevée, plus les balais doivent appuyer fort pour rester en
contact et plus le frottement est important.
Aux vitesses élevées les charbons doivent être remplacés très régulièrement.
Le contact électrique imparfait cause des arcs électriques, usant rapidement le
commutateur et générant des parasites dans le circuit d'alimentation.
Pour des fonctionnements en moteur de petite puissance ce problème peut être résolu
grâce à la technologie du moteur à courant continu sans balai communément appelé
moteur brushless : un dispositif d'électronique de puissance remplace l'ensemble
balai - collecteur: La position du rotor est détectée par des capteurs à effet Hall et le
courant est commuté par des transistors à effet de champ.
III) Partie Expérimentale :
Manipulation n : 1
Dans cette manipulation on ajuste le courant du startor I0 =const= 0.5 A et on va variée le
courant d’induit Iex et notés la variation de la vitesse W (tr.min-1) de notre machine les
résultas sont présenté dans le tableau suivant :
I ex (A)
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
W (tr.min-1)
1100
970
930
910
870
820
Le graphe W en fonction de Iex est représenté dans la feuille millimétrée n : 1
Si on remarque le graphe on vois que la vitesse diminue avec l’augmentation de Iex et tous ça
grâce qu’il n’ya pas d’influence entre le startor et le rotor I0 = const = 0.5 donc il va avoir une
diminution de la vitesse
Manipulation n : 2
Pour cette manipe on va inversé les donnée le courant constant est le Iex =const= 0.04 A
et on va variée le courant d’induit I0 et on note la vitesse de notre machine les résultas sont
présenté dans le tableau suivant :
I0 (A)
W(tr/min)
0.45
0.47
0.50
0.52
0.56
0.60
0.65
270
390
550
670
1510
2700
3010
Le graphe W en fonction de I0 est représenté dans la 2eme feuille millimétrée
Si on observe notre graphe on remarque que la vitesse augmente après l’augmentation du
courant du startor puisque il ya une influence entre le startor et le rotor le courant de notre
startor donne un flux et avec le courant du rotor ce dernier crée un couple de plu en plus
élevée donc il ya une augmentation de la vitesse W.
Manipulation n : 3
Dans cette manipe on va tous changé la vitesse dans ce cas est constante pendant toute la
manipe W=const=1350 (tr/min) , on augmente Iex et on ajuste I0 pour obtenir notre vitesse
constante. Et on note le rapport entre Iex et I0 les résultas sont représenter dans le tableau
suivant :
Iex (A)
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
I0 (A)
0.56
0.48
0.45
0.42
0.40
0.38
0.37
0.36
Le graphe I0 en fonction de Iex est représenté dans la feuille millimétrée
Si on remarque notre graphe on remarque que malgré l’augmentation de Iex le courant du rotor
I0 diminue, on peut expliquer ce phénomène a cause de la vitesse qui est constante 1350 tr/min
Donc si on augmente Iex il faut diminuer I0 pour que la vitesse reste constante.
IV) Conclusion :
Dans ce TP on a fait les rapports par les graphes dessinée entre :
- le courant du startor est la vitesse avec le courant du rotor constant.
- Le courant du rotor est la vitesse avec le courant du startor constant.
- Le courant du startor avec le courant du rotor avec la vitesse qui est constante.