Etude d`une machine à courant continu

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Travail satisfaisant
Quelques erreurs dans les calculs sur la partie théorique
Les commentaires sur la dernière partie sont insuffisants
TP2
ETUDE D’UNE MACHINE A COURANT
CONTINU
MATRY Christophe
CHELIN Yoann
4 A MMS.
TP2 Etude d’une machine à courant continu
1 Préliminaire
1.1 Justifications sur le modèle
1.1.1 Relation générale
La machine tournant à la vitesse angulaire Ω entraîne l’existence d’une f.e.m. dont la valeur
s’obtient par la relation :
E=KΦΩ
Le flux Φ, est crée par un courant inducteur Ie.
1.1.2 Caractéristique d’induit à vide
A vide, Ia = 0. On relève la caractéristique à vide Ev = f(Ie) où Ie est le courant d’alimentation
de l’inducteur. Cette caractéristique est analogue à la courbe de magnétisation Φv(Ie) de la machine du
fait de la relation vue ci-dessus.
Ia = 0
Ev
Ra
V
Schéma équivalent électrique de l’induit
1.1.3 Caractéristique d’induit en charge
Lorsque l’induit débite un courant continu dans une charge RL, deux termes sont à prendre en
compte. La première est la résistance Ra de l’induit et la seconde est la modification du flux  par la
présence du courant d’induit équivalent à une fem.
Ia = 0
e
Ra
V
Ri
Ev
Nouveau schéma équivalent électrique de l’induit
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1.2 Rhéostat de démarrage
Pour le schéma de l’induit au démarrage voir ci-dessus.
Il permet un démarrage progressif du moteur shunt d’entraînement : on élimine
progressivement une résistance placée en série avec l’induit. Pour son alimentation, on utilise le
« CONT-VAR » sur le bandeau de table. En fin de course, un électro-aimant, alimenté par le courant
d’excitation, retient le levier de commande. Pour l’arrêt, couper le CONT-VAR.
1.3 Variateur
Le variateur utilisé est constitué de deux ponts monophasés :
- un pont à quatre diodes pour alimenter l’inducteur
K
E
Uc
L
-
un pont mixte (2 diodes, 2 thyristors) pour alimenter l’induit.
I
E
Uc
J
- allure aux bornes de la charge
Le pont à quatres diode a pour effet de redresser le signal d’entrée E.
t
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Le pont mixte par la présence de ses thyristors retarde en plus l’impulsion de départ.
Bien
-
valeur moyenne de Uc
Le pont de diode :  Uc 
2U 2

Attention,ce n’est pas U mais V, ne pas confondre
tension composé et tension simple
Le pont mixte :  Uc 
U 2
(1  cos  )

avec  angle d’amorçage
- appareillage donnant accès à la valeur moyenne
Pour la mesure de la tension moyenne, nous utiliserons un voltmètre en position DC.
Indiquer le type d’appareil : électronique, magnétoélectrique, ferromagnétique ?
1.4 Caractéristique mécanique
-
Rappel de l’expression analytique donnant le couple électromagnétique Te=f()
E=k..
De plus U = E + Ra.Ia
Te = k’..Ia
Ia = (Ua-E)/Ra
Ia = (Ua-k)/Ra
Te 
kUa

 (k )²
Ra
Ra
Bien
- Abscisse à l’origine et pente:
On fait la vitesse de rotation égale à 0 et on obtient l’abscisse à l’origine :
Te(0)  Ua
k
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On dérive le couple selon la vitesse  et on trouve :
dTe   Ra
d
k
-
Allure de Te() pour différentes valeur de tension Ua et d’intensité Ie :
Nous traçons donc l’allure de Te(
Ua = 110V,
Ua = 73V,
Ua = 110V,
Ie = 0.3A
Ie = 0.3A
Ie = 0.2A
droite noire
droite orange
droite bleue
Te

1.5 Bilan de puissance
On considère différents types de puissances :
Pa : puissance électrique absorbée par l’induit du moteur.
Pa  uc  ia 
Pjr : puissance dissipée par effet joule de l’induit Pjr  R a  I a2
Pf : pertes ferromagnétiques
Pm : pertes mécaniques liées aux frottements dans les paliers, sur le collecteur et dans l’air
Pu : puissance utile
Le bilan de puissance donne la relation : Pa = Pjr + Pf + Pm + Pu
Or on a Pu = Tu.Ω
D’où :
Tu 
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(Pa - Pjr - Pf - Pm )

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2 MANIPULATION
2.1 Etude en génératrice à excitation indépendante
2.1.1 Matériel utilisé
On relève tout d’abord les informations sur les plaques signalétiques des appareils présentes
sur la table d’étude :
MCC d’entraînement
Volt : 110
Amp : 22
Volts Ex : 57
Amp : 07
t/min : 1500
MCC d’étude
Volt : 110
Amp : 2,3
Volts Ex : 76
Amp : 0,3
t/min : 1500
Il faut veiller à ne pas dépasser ces valeurs afin de ne pas détériorer les machines.
2.1.2 Relevé de la caractéristique à vide Ev(Ie)
On réalise les manipulations à une vitesse de rotation de n=1500 tr/min
On effectue le préréglage de Rh’c avant de démarrer.
Câblage du rhéostat de démarrage (RHD) & machine d’entraînement :
Cont-Var
RHD
E
M
_
O
+
L
Rh’c
B
a
ab = inducteur
AB = induit
b
A
MCC d’entraînement
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Câblage de la machine d’étude (voltmètre et ampèremètre en DC)
ab = inducteur
AB = induit
VAR 1
K
Ie
A
B
a
Ev
V
b
Montage
Potentiométrique
L
A
MCC d’étude
Caractéristique à vide
140
120
Ev en Volts
100
80
montant
descendant
60
40
20
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
Ie en Ampères
Les mesures font apparaître un cycle en hystéresis en théorie (peu visible dans cette
expérience) dû à l’aimentation rémanente. C’est pour cela que lorsqu’on revient à Ie=0, on a E≠0.
On peut noter aussi la saturation du circuit magnétique
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2.1.3 Mesure de la résistance d’induit
Pour mesurer la résistance d’induit, on utilise la méthode voltampère métrique étant donné
que R a   U a    I a  .
On a Ra = 4,35 
2.1.4 Caractéristique en charge Ua(Ia)
D’après la caractéristique en charge pur Ie nominal = cte = 0,3 A et n = 1500 tr/min, on peut
faire apparaître la résistance de l’induit Ra ainsi que la réaction magnétique de l’induit.
Dans la partie linéaire, la pente correspond à Ra.
On a Ra = (123-113)/1,8 = 5,56 
2.2 Etude du moteur à excitation indépendante
2.2.2 Relevé de la caractéristique mécanique Tu= f ()
On procédera avec une méthode dite de « bilan de puissance à vitesse stabilisée », connaissant Ia, la
résistance Ra (4,2Ω) et la puissance Pa déterminée à l’aide d’un wattmètre.
On rappelle la relation liant Le couple utile à la vitesse de rotation :
Tu 
(Pa - Pjr - Pf - Pm )

Pour effectuer ceci, on a fait apparaître deux modes d’action sur la vitesse en agissant sur l’intensité
d’excitation mais aussi sur l’action de la tension de l’induit.
Trois cas sont à étudier :
- 1er Cas : <Ua> = Un = 110 V;
<Ie> = Ien = 0,3 A
- 2eme Cas : <Ua> = (2/3) Un = 73 V ; <Ie> = Ien = 0,3 A
- 3eme Cas : <Ua>= Un = 110 V ;
<Ie>= (2/3) Ien = 0,2 A
Schéma de câblage ?
2.2.3 Résultats et prises de mesures :
Le couple utile est calculé à partir de la formule établie dans la première partie et les pertes
mécanique et ferromagnétique sont lues dans la table donnée en annexe.
Courbes Tu = f(Ω) attendues pour les 3 cas
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Cas 1
n (en
tr/min)
944
962
1064
1084
Pa (Watts)
87
60
48
45
Pj (Watts)
9.24
7.56
6.09
5.88
Pm+Pf
29.8
30.46
35
35.66
Tu
0.05080508
0.02284823
0.00649436
0.00319188
n (en
tr/min)
568
577
Pa (Watts)
30
27
Pj (Watts)
5.88
5.88
Pm+Pf
16.59
16.848
637
24
5.02
20.17
Tu
0.01325704
0.00740381
0.00186813
n (en
tr/min)
Pa (Watts)
Pj (Watts)
Pm+Pf
871
7.35
126
21.775
1113
1170
7.8
4.5
75.6
71.4
27.32
28.72
Cas 2 :
Cas3 :
Tu
0.16122273
0.08546271
-0.0817265
Couple en fonction de la vitesse de rotation
0.1
Couple utile (en N.m)
0.05
0
-1
0
1
2
-0.05
3
4
Cas 1
Cas 2
Cas 3
-0.1
-0.15
-0.2
1/n
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Observations :
On constate que l’allure des courbes relevées ne correspond pas à ce qu’on attendait. Le
système étudié était trop instable, nos mesures n’ont pas pu être correctes.
Normalement on aurait dû obtenir 3 droites de pente négative (une pour chaque régime
étudié) ; tout comme dans le TP de la machine asynchrone en régime variable. Le couple diminue
plus la vitesse de rotation augmente : lorsqu’on diminue la charge, le moteur accélère.
La vitesse de rotation suit la loi suivante :
n = (E – Ra Ia) / KΩ
On peut noter que les cas 1 et 2 ont des pentes similaires
3 Conclusion
Finalement ce TP nous a permis d’observer les caractéristiques mécaniques d’un moteur à
courant continu et de mettre en relation les hypothèses théoriques vues en cours et la physique du
phénomène.
MATRY Christophe
CHELIN Yoann
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