Ch 9 Moteur à courant continu

Ch 7 Moteur à courant continu
1.
Principe et constitution d’un moteur à courant continu ( MCC )
1.1 Principe
Une machine à courant continu peut fonctionner en:
• moteur; elle reçoit de l’énergie électrique;
• génératrice par apparition d’une f.é.m. induite aux bornes d’un conducteur qui
se déplace dans un champ magnétique.
C’est un convertisseur d’énergie réversible.
Moteur
Énergie électrique
Énergie mécanique
Génératrice
1.2 Constitution; f.é.m.
Un moteur est constitué de :
• un stator ou un inducteur;
• un rotor ou un induit.
Le rotor est séparé du stator par un entrefer. L’ensemble {stator,entrefer,rotor }
constitue le circuit magnétique.
Les bobines enroulées autour du noyau du stator et parcourues par un courant ie
sont la source de champ magnétique
inducteur.
Le rotor contient des conducteurs logés dans des encoches. Lorsque ces conducteurs
sont parcourus par un courant et qu’ils sont placés dans le champ magnétique produit
par l’inducteur, il existe une force de Laplace ( F = BIlsinα) qui fait tourner le rotor .
Les conducteurs du rotor sont alors le siège d’une f.é.m. induite e alternative dont le
sens est indiqué par la loi de LENZ.
2. Modèle électrique de l’induit en régime permanent
Modèle de l’induit
I
R
E
U
Le moteur reçoit une puissance électrique : UI
Il apparaît une f.é.m. induite aux bornes de l’induit qui tourne dans le champ
magnétique de l’inducteur.
On montre que :
E = KΦΩ
E ( en V ) est proportionnel à Φ et à Ω.
Φ ( en Wb ) : flux utile sous chaque pôle inducteur.
Ω ( en rad/s ) : vitesse de rotation de l’induit ( donc du moteur ).
K ( en V.Wb-1.rad-1.s ) : c’est une constante caractéristique du moteur.
R ( en Ω ) : résistance de l’induit que l’on mesure à chaud. Elle a souvent une valeur
faible.
Exercice 1 ( 1.1 et 1.2 )
3. Couple électromagnétique
Puissance électromagnétique de la machine :
Pem = EI
Pem ( en W ) ; E ( en V ) ; I ( en A ).
Le moment du couple électromagnétique Tem représente la somme de tous les moments
des couples des forces de Laplace.
La puissance électromagnétique est développée par le couple Tem tournant à la vitesse
Ω.
TemΩ = EI
Comme E = KΦΩ
Tem =
EI

Tem = KΦI
Tem ( en N.m ) ; I ( en A ) ; Φ( en Wb ).
Ex 1 ( 1.3 ) ; Ex2
4. Moteur à excitation indépendante
Il existe plusieurs types d’excitations. On travaillera avec une excitation indépendante:
la bobine d’excitation est sur l’inducteur et indépendant de l’induit.
Une variante : l’excitation est fournie par un aimant permanent: le flux Φ est constant.
4.1 Modèle du moteur et vitesse de rotation
ie ( ou J )
I
R
U
ue ( ou V )
E = KΦΩ
r
E
INDUCTEUR
INDUIT
ue = r ie
U = E + RI
U = KΦΩ + RI

U - RI
K
4.2 Caractéristique de vitesse
Ω
Ω0
0
On travaille à :
U = UN = cte; UN : tension nominale du moteur.
Φ = ΦN = cte ( cela veut dire que ie = cte ).
I0
I ( en A )
Rq : I dépend de la charge ( charge importante, I important ).
A vide, on a un courant I0 << IN ; on a donc RI0 << U et Ω0 =
On a en définitive :
Ω = Ω0
U
K
RI
K
Ω augmente fortement lorsque Φ ( donc ie ) diminue: On ne doit pas annuler le flux
inducteur d’un moteur en marche.
4.3 Valeurs nominales
Ce sont des valeurs de fonctionnement normal d’un moteur.
Exemple d’un moteur :
Ue = 220 V; ie = 0,5 A; UN = 240 V; IN = 20 A ; n = 1500 tr/min ( soit Ω = 157 rad/s)
TUN = 25 N.m ; K = 70 V.Wb-1.rad-1.s ; R = 1,0 Ω ( température de fonctionnement );
Iv ( ou I0 ) = 2,0 A; flux maximal utile sous un pôle : ΦN = 20 mWb.
4.4 Couple moteur. Caractéristique mécanique
Les pertes magnétiques et mécaniques : Pc ; Pc ( en W )
Le couple des pertes magnétiques et mécaniques : Tc et
Tc est constant si Pc est proportionnel à Ω.
Tc =
Pc

Pu
Couple utile : Tu = 
Pem
Couple électromagnétique : Tem =

La caractéristique mécanique donne la variation de Tu ( ou de Tem ) en fonction de Ω.
Tu, Tem
( N.m )
Tu est une fonction décroissante de Ω.
U = cte.
Tp
0
Ω0
Ω ( en rad/s )
Tu = KΦI - Tp
Si l’on change la valeur de la tension U, la caractéristique se déplace parallèlement à
elle-même.
4.5 Point de fonctionnement
Ω
Moteur
Tu
Charge
=
Tr
Tr : moment du couple résistant de la charge.
On trace sur le graphique Tu (Ω ) et Tr (Ω ). Le point de fonctionnement, c’est le point
d’intersection de Tu (Ω ) et Tr (Ω ).
Ω (en rad/s )
90
94,2 98,4 104,7
Tu ( en N.m ) 28,4 27,8 27,4
26,6
Caractéristique mécanique d’un moteur.
Exemple :
110
26,2
Si aux bornes de ce moteur, on place une charge de moment de couple résistant constant
Tr = 26,8 N.m, on aura Tu = Tr = 26,8 N.m et Ω = 102,6rad/s.
5. Bilan énergétique et rendement
5.1 Bilan énergétique
Puissance absorbée ( ou consommée ou reçue ) : Pa
Pa = UI + ue ie
Pertes : • Pji = R I2 : Pertes Joule dans l’induit ( Pji en Watt )
• Pje = ue ie = r ie2 : Pertes Joule dans l’inducteur ( Pje en W )
• Pm : pertes mécaniques.
• Pf : pertes magnétiques
P0 =Pc = Pv = UvIv = Pm + Pf ( Puissance mesurée lorsque le moteur
fonctionne à vide sous la tension Uv =UN ).
Puissance électromagnétique : Pem
Pem = EI = Tem Ω
Puissance utile : Pu
Pu = Tu Ω
Pji
Pm
Pje
Pem = Pa - Pj
Pu = TuΩ
Pem = EI
Pa
Pf
Pj = Pji + Pje ( induit + inducteur )
Pu = Pem - ( Pm + Pf )
Pc = Pm + Pf : Pc pertes collectives
5.2 Rendement
η =
Pu
Pa
Le rendement est maximal lorsque le moteur fonctionne dans les conditions indiquées
sur la plaque signalétique c-à-d les conditions nominales.
On mesure le rendement par la méthode indirecte des pertes séparées.