Les machines à courant continu

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Etude des systèmes
Machine à courant continu
Principe des machines à courant continu
Le principe physique utilisé est qu'un conducteur traversé par un courant I placé
dans un champ magnétique B sur une longueur L est soumis à une force de
module F = B.I.L
Si ce conducteur est placé dans une encoche à la périphérie d'un cylindre appelé
rotor et si, de plus, il est soumis à un champ magnétique correctement orienté,
on peut avoir rotation du rotor.
Comme le montre l'exemple ci-dessus, si on fait passer un courant dans la spire, en lui appliquant une tension,
on aura rotation du rotor en présence du flux inducteur. On a un fonctionnement en moteur.
Si l'on fait tourner le rotor précédent (donc la spire) en présence d'un flux inducteur, on aura apparition d'une
force contre-électromotrice: E = n.ø où n désigne la vitesse de rotation en tours/seconde et ø le flux en webers.
On a un fonctionnement en générateur. Ce type de génératrice est aussi appelée « dynamo ».
La machine à courant continu est réversible, c'est à dire qu'elle peut fonctionner en génératrice ou en moteur.
En moteur, elle absorbe de l'énergie électrique alors qu'en génératrice elle en produit. On peut utiliser cette
propriété pour assurer le freinage d'un moteur en le faisant travailler en génératrice et cela en récupérant ou non
l'énergie produite lors de ce freinage.
Les équations de fonctionnement.
Pour une machine à courant continu réelle, on dispose de plusieurs paires de pôles et de plusieurs encoches
contenant chacune plusieurs spires (on parle de paire de voies d'enroulement); toutes les spires étant soumises
au flux inducteur. On a alors :
où on a:
p: nombre de paires de pôles
a: nombre de paires de voies d'enroulement
E: force contre-électromotrice en V
ø: le flux inducteur en webers
n: la vitesse de rotation en tours par
seconde
N: le nombre de conducteurs par encoche
Les deux relations précédentes nous permettent d'écrire:
On remarque que pour un moteur, la vitesse de rotation est liée à la tension U d'alimentation de l'induit; on
utilise ainsi l'alimentation à tension d'induit variable pour faire varier la vitesse de rotation du moteur.
Il est à remarquer que de jouer sur ø conduirait au même effet mais si ø vient à s'annuler, la vitesse augmente
rapidement; c'est le phénomène d'emballement qui est très dangereux. Il ne faut, par conséquent, jamais
alimenter l'induit d'un moteur sans la présence du courant d'excitation de l'inducteur.
On remarque que pour une génératrice, la tension U fournie aux bornes de l'induit est liée à la vitesse de
rotation.
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La puissance absorbée par un moteur s'écrit P=U.I mais la puissance utile s'écrit elle:
car R.I2 correspond à des pertes joules.
La puissance mécanique restituée s'écrit:
Pm= C.ω où C désigne le couple en newtons-mètres et ω la vitesse de rotation en radians/seconde
A quelques pertes près, on Pu = Pm donc on peut écrire que:
C = k.ø.I où k désigne une constante.
Pour un moteur et pour un même flux inducteur, la vitesse est liée essentiellement à la tension d'alimentation de
l'induit et le courant dépend lui essentiellement du couple mécanique délivré.
En réalité, le moteur électrique présente un certain nombre de pertes qui sont des pertes mécaniques,
magnétiques et joules. Malgré cela, les machines à courant continu présentent un rendement intéressant.
Les modes d’utilisation.
Pour les machines de petite puissance, le flux inducteur est souvent obtenu à partir d'aimant permanent.
Pour les machines de puissance plus importante, l'induction est obtenue par un électroaimant. On dispose alors
de plusieurs solutions pour les branchements de l'inducteur; on distingue:
l'excitation série pour un couple de démarrage important
l'excitation séparée
l'excitation mixte pour garder une vitesse constante quelque soit le couple.
Constitution.
Le principal problème de la machine à courant continu est de se connecter électriquement au rotor tournant. On
utilise pour cela un collecteur sur lequel frotte des balais. C'est cet organe délicat qui représente une des limites
d'emploi de ce type de moteur.
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Les moteurs à induit plat permettent de par la faible inertie de leur rotor des accélérations importantes; il sont
utilisés en robotique.
Les moteurs universels sont des moteurs série qui utilisent la propriété de pouvoir être alimenté en continu ou
en alternatif car si le flux et la tension d'induit changent simultanément la vitesse de rotation reste de sens
constant.
Le démarrage.
Lorsque le moteur démarre, la force contre-électromotrice est faible c'est pourquoi la relation U = R.I + E est
sensiblement égale à U = R.I
Il faut souvent limiter le courant de démarrage Id à 1,2.In < Id < 2.In où In représente le courant nominal
d'utilisation. Au démarrage, on insère momentanément un rhéostat de démarrage en série avec l'induit.
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