Les machines à courant continu

Les machines à courant continu
La machine à courant continu a 2 modes de fonctionnement possibles :
-
soit en moteur : L'énergie
-
soit en génératrice : l'énergie
1. Description
est transformée en énergie
est transformée en énergie
LIGNE NEUTRE
La MCC est composée d'une partie fixe appelée STATOR ( partie fixe ), d'une partie mobile appelée ROTOR et
d'un COLLECTEUR à l'avant du rotor sur lequel viennent frotter deux BALAIS à l'aide de porte-balais
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1.1. Le stator
Le stator crée le champ magnétique; c'est l'inducteur. Ce champ magnétique est :
-
soit crée par un aimant permanent ( moteur de faibles puissances ). La machine est dite
si elle comporte un pôle N et un pôle S ; et est dite multipolaire si
elle comporte p pôles N et p pôles S
-
soit crée par des bobines parcourues par des courants ( électro-aimants )
A quelles condition le flux crée par le stator est –il constant ?
-
-
Photo d’un stator bobiné
1.2 Le rotor : induit
C’est la partie mobile du moteur. Il est constitué de plusieurs enroulements répartis pour former un cylindre.
Le rotor comporte à la périphérie des encoches dans lesquelles vont venir se loger les conducteurs. On relie
2 conducteurs diamétralement opposés pour former une spire.
Rotor moteur courant continu
Autre rotor
( utilisé en TP )
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Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre disposé suivant un cylindre en bout de rotor. Les
balais, portés par le stator frottent sur les lames du collecteur.
Collecteur : les lames de cuivre sont isolées les unes des autres
+
Remarque : Les balais sont en carbone et s'usent donc. C'est un des inconvénients de la MCC
Les balais frottent sur le collecteur. Les balais sont fixes et sont solidaires du stator
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D’autre part, parcouru par un courant variable et soumis à un champ magnétique, le rotor va être
soumis à des pertes par hystérésis. Plus la surface du cycle est importante, plus
Le rotor va donc être constitué à partie d
D'autre part, à chaque rotation du rotor, le flux est coupé. D'après Lenz, un courant induit, par ses effets va
s'opposer à la cause qui lui a donné naissance, c'est à dire qu'un courant induit va apparaître dans le rotor de
manière à freiner le rotor ( ce système de freinage est utilisé sur les camions et sur les bus : on parle de
ralentisseur ). Ce courant induit va entraîner un échauffement : ce sont les pertes par courants de
FOUCAULT
Comment limiter ces pertes ?
Plus généralement, on regroupe sous le terme pertes
Foucault
FER l’ensemble des pertes par hystérésis et
1.3. Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu
Expérience : Prenons un cadre mobile constitué d’une seule spire et parcouru par un courant.
Plaçons le dans un champ magnétique. Il sera alors soumis à une force de LAPLACE
F=
Position 1
 Représenter le vecteur champ
magnétique entre les pôles de
l’aimant
C
B
 Représenter alors la force

 sur
F
N
chaque longueur de la
spire. En déduire le sens de
rotation de la spire
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D
A
I
C
Position 2 ( passage de la ligne neutre )
B
N
D
A
Si on admet que grâce à l’inertie la spire a franchi la ligne neutre, le circuit électrique devient alors :
B
Position 3
C
N
A
D
I
Flécher alors les vecteurs force sur chaque longueur. Que se passe t-il ?
Que faudrait-il faire pour remédier au problème ?
Animation : http://www.edumedia-sciences.com/fr/a182-machine-a-courant-continu
Examinons l’extrémité du rotor : il possède un dispositif permettant l’inversion du courant tous les ½
tours : c’est le collecteur. Les balais sont immobiles et frottent sur le collecteur. Ils permettent donc
d’assurer la liaison entre la partie tournante et la partie fixe
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C
B
B
D
C
A
A
I
D
I
Dans chacune des 2 positions ci dessus, flécher l’intensité sur la spire ABCD puis en déduire le sens et la direction
de 
qui s’applique sur les longueurs AB et CD
F
1.4 Force électromotrice
- A l’aide de vos connaissances sur le ferromagnétisme, représenter le vecteur champ magnétique
en différents points de l’entrefer ( espace compris entre le rotor et le stator )
Nord
Sud
- Représentons B en fonction de l’angle  en prenons comme convention une valeur positive si le
champ est dirigé vers le centre du rotor
B

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B est variable selon l'angle  : B est maximal suivant l'axe des pôles et est nul sur la direction
perpendiculaire ( appelée ligne neutre )
Que va t-il se passer aux bornes d’une spire si B varie ?
u

Influence des balais sur l’allure de la tension induite
Prenons le cas simplifié à une seule spire :
0<<
 <  < 2
A
B
u
u
D
I
C
B
A
C
D
e
e
0<  <  : loi des mailles :
 <  < 2  : loi des mailles :
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Traçons la tension e ( tension induite aux bornes des balais ) en fonction de l’angle  :
L'ensemble collecteur-balai assure donc une fonction de
Que va t-il se passer si nous disposons de 2 spires espacées entre elles de 90 ° ?
Observons à l’oscilloscope ces deux tensions ( 10 V / carreau pour chacune des 2 voies ) :
u2
0
u1
180 °
360 °
Traçons grâce au logiciel la somme de ces deux tensions en respectant les échelles et le 0 :
Page 8
0
180 °
On constate que plus le nombre de spires augmente, plus
-
Que se passerait-il si on disposait de 4 spires disposées entre elles de 45° ?
Cas de la machine réelle
Une machine réelle comporte un très grand ( N ) nombre de conducteurs qui forme
N
spires. Afin de
2
limiter l'intensité, les N conducteurs sont répartis en 2a voies d'enroulement ( chemin pour aller
d’un balai à l’autre ). De plus, étant donné le nombre important N, il n'est plus possible de relier uniquement
des conducteurs diamétralement opposés :
Balai A
I
Balai B
e
2 a voies
d'enroulement
I / 2a
On aura donc une f.e.m E pratiquement constante E =
-
p
a
n.N.
p : nombre de paires de pôles
a : nombre de paires de voies d'enroulement
n : vitesse en tr/s
N : nombre de conducteurs
 : flux sous un pôle ( Wb )
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Rque : pour une machine donnée, p, a et N sont constants
On a alors E = K.. avec  = 2.n
Conséquences :

Si le flux est constant ( soit MCC à aimants permanents, soit i
-
E1 = K1
-
E2 = K2

Si i = constant on peut poser  = ai donc on a E = K.a.i. soit E = K'i.n
constant ) on a :
E
i = i2 > i1
i = i1
n
Application : l'inducteur d'une MCC est tétrapolaire. L'induit comporte 360 conducteurs actifs. Le flux utile
par pôle est  = 10 mWb et il est supposé constant. On donne E = 216 V si n = 1800 tr / mn
1. Quel est le nombre de voies d'enroulement ?
2. Quelle sera la tension de la f.e.m si n = 1500 tr/ mn ?
1.5 Expression du couple électromagnétique :
La puissance de la machine est PE = E.I = TE . ( voir chapitre révision )
TE =
donc
TE =
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2. Etude du moteur et de la génératrice
2.1 Modèles électriques du moteur et de la génératrice
L’inducteur est constitué soit d’un
, soit d’une
Une bobine réelle présente une résistance interne r. On a donc le modèle électrique équivalent :
L
Rappeler l’expression de l’impédance ZL
r
En continu, que vaudra ZL ?
Bobine réelle
En continu, que vaudra alors Zeq de la bobine réelle ?
Sachant que le but d’une génératrice est de fournir de la puissance électrique ( donc absorbe de la
puissance mécanique ), flécher la flèche intensité de la génératrice
Sachant que le but d’un moteur est de fournir de la puissance mécanique ( donc absorbe de la puissance
électrique ), flécher la flèche intensité du moteur
i
i
I
R
r
I
r
u
U
GENERATRICE
u
R
U
MOTEUR
fournit puissance
mécanique et absorbe de
la puissance électrique
fournit puissance électrique et
absorbe de la puissance
mécanique
U=
U=
2.2 Etude à vide de charge de la génératrice :
Pour la génératrice, examinons la courbe EG = f ( iG ) à n = constant
La génératrice est entraînée par un moteur
iG
u
I=0 A
G
U = EG
car
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On constate alors que cette courbe est la courbe d'aimantation du matériau ferromagnétique : la machine est donc
affectée par un phénomène d'hystérésis
2.3. Réglage de la vitesse
2.3.1. Etude de n = f ( U ) à i = constant et I = constant = I0
A partir de l’équation du moteur, exprimer n en fonction de U,R,I0,K et  . En déduire l’allure de n = f ( U )
Remarque : à l'arrêt E = 0V et R =
UD
I
Tracer l’allure de cette droite
Application On donne R = 2 , I0 = 1 A, UN = 200 V et E = 0,125.n ( n en tr/mn )
1. Donner l’équation de n = f ( U )
2. Tracer cette droite en précisant la tension de démarrage UD et nN
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2.3.2. Etude de n = f ( i ) à U = constant et I = constant = I0
A partir de l’équation du moteur, exprimer n en fonction de U,R,I0,K et a ( on posera  = a.i ). En déduire
l’allure de n = f ( i )
équation type y =
Tracer l’allure de la courbe
Conséquence : si on coupe l'inducteur avant l'induit ( i = 0 A ) on a
Pour la mise en route du moteur, que se passe t-il maintenant si on alimente l’induit U ( on prendra
par exemple U = 110 V , R = 1  ) puis l’inducteur ?
Pour la mise en route des moteurs, on alimente d’abord
puis
Pour arrêter un moteur, on coupe d’abord
puis
2.4 Réversibilité de la machine
Une génératrice fournit de l'énergie électrique donc on aura un fonctionnement
 en génératrice si
 un fonctionnement en moteur si
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I
Etape 1 : K1 fermé, K2 ouvert : la machine tourne à vide.
I>0, U>0 . E.I > 0 donc moteur. Si on ouvre K1, le
moteur ralentit dû aux frottements
K1
V
U
MCC
Etape 2 : K1 fermé puis on ouvre K1 et on ferme K2 :
l'ampoule s'éclaire et le moteur ralentit fortement. On a
E>0 et I<0 donc
L
Plus l'intensité délivrée par la génératrice est importante, plus le freinage sera important. Plutôt que de
dissiper l'énergie à travers des ampoules ou des résistances, l'idée est de restituer l'énergie au réseau qui a alimenté
le moteur ( à l'aide de pont tout thyristors ) : on parle alors de
2.5. Bilan de puissances et rendement
1 cas : bilan de puissance sur le moteur
PA =UI
Pu
PA total
Pa = ui = ri²
PE = EI
UI
PJS = ui
PJR = RI²
P méca =
frottement
PFER =P HYS + PFOUC
Rque : Parfois, on parle du rendement de l'induit au lieu du rendement du moteur
=
PU
PA
=
PA  pertes
PA
Pour simplifier, on pourra noter Pméca + Pfer = PFM
moteur =
induit =
Remarque : détermination expérimentale des PFM : on fait un essai à vide donc PU = 0 W et I  0 A donc
on a :
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2°
cas : génératrice

PU = UI
UI
UI  RI ²  PFM  ui
2.6. Fonctionnement en régime permanent et point de fonctionnement
Etude de la caractéristique mécanique TU = f ( n ) à U = cst et  = cst
On a donc TU = TE - TP =:
équation type y =
TR
TU
Fraisage, perçage
Levage, broyage
Agitateur, pompe
U2> U1
Ventilateur, centrifugeuse
n
n
Un moteur entraîne une charge qui possède un couple résistant TR.

Le point d'intersection est le point de fonctionnement : la vitesse est

Si TU > TR : le moteur

Si TU < TR :le moteur
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