machine a courant continu a) structure

MACHINE A COURANT CONTINU
A) STRUCTURE
1) Stator ( ou inducteur )
a) Fonction :
il crée un champ magnétique fixe ; il est souvent
bipolaire, quelquefois tétrapolaire . On l’appelle
aussi inducteur.
b) Types de stator :
Il y a deux techniques pour produire le champ magnétique.
1° type : stator bobiné : les pièces polaires portent des bobinages alimentés en courant continu : c’est le courant
d’excitation noté ie. En faisant varier ie on peut faire varier le champ magnétique ; sur la courbe ci-contre , on
retrouve le phénomène de saturation . caractéristique des matériaux ferromagnétiques.
B (T)
saturation
0
ie( A)
2° type : stator à aimants permanents : il n’y a pas de bobinage ; le champ est donc constant.
2) Rotor ( ou induit )
C’est la partie tournante de la machine : il porte des conducteurs associés en série et placés dans des encoches
« creusées » à sa périphérie. Il est aussi appelé induit. En fonctionnement , ces conducteurs sont parcourus par
un courant continu appelé « courant d’induit » et noté I dans la suite de l’étude ; ce courant est distribué dans
l’induit par des « charbons » qui frottent sur des lames de cuivre : ce système ,appelé « collecteur », joue un
autre rôle important dans le fonctionnement de ce type de machine. Le bobinage d’induit est relié à deux bornes
de la plaque de la machine.
Question 1 :
Demander des explications complémentaires au professeur.
B) REPRESENTATION SIMPLIFIEE ET TYPES DE MOTEURS
1) Moteur à excitation séparée ou indépendante :
Pour ce type de moteur, les bobinages de l’inducteur et de l’induit sont séparés.
M
INDUCTEUR
INDUIT
2) Moteur à aimants permanents
Il n’y a pas de bobinage inducteur
M
INDUIT
3) Moteur série
Pour ce type de moteur, le bobinage inducteur est en série avec le bobinage d’induit ; le courant d’excitation est
alors le courant d’induit I lui-même ; le flux varie en fonction de la charge du moteur . L’étude de ce type de
moteur est plus complexe mais il est très utilisé en pratique comme moteur de traction ( trains , chariots
électriques )
INDUCTEUR
M
INDUIT
C) CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DU ROTOR
1) Circuit équivalent
I
U
INDUIT
M
R
U
I
E
U est la tension d’alimentation ( V )
E est une tension continue appelée « force électromotrice » ( en abrégé « f.e.m. ») et notée E .
R représente la résistance des bobinages de l’induit ( Ω )
I est l’intensité du courant d’induit (A)
Question 2 :
En appliquant la loi des mailles et la loi d’Ohm dans le circuit équivalent, établir la relation entre U, E, I et R.
2) Propriétés de la F.E.M.
Courbe E = f ( ie ) :
Pour une vitesse donnée et maintenue constante, si on fait varier ie ( et donc le champ magnétique produit par le
stator) on obtient une courbe appelée « caractéristique à vide de la machine à courant continu » ; on y retrouve
le phénomène de saturation qui caractérise des matériaux ferromagnétiques.
Courbe E = f(n) :
Pour un courant d’excitation ie donné ( champ magnétique constant ) on fait varier n et on relève les variations
de E.
E (V)
E(V)
saturation
ie( A)
0
0
n( tr/min)
3) Expressions de la F.E.M.
a ) Expression générale
E est proportionnelle à n et à ie ( donc à Φ tant qu’il n’y a pas saturation du circuit magnétique de la machine ).
E = K.Φ
Φ.Ω
Ω
Cette relation est valable pour tous les types de moteur à courant continu ( voir partie B) ).
E : F.e.m en V
Φ : Flux en Wb ( Flux magnétique = champ magnétique × surface traversée )
Ω : vitesse angulaire de rotation en rad/s
b) Application aux moteurs à flux constant
Le flux est constant pour les machines à aimants permanents et pour les machines à excitation indépendante si
le courant ie est maintenu constant ; dans ces conditions, on peut écrire :
E = k.n
n : fréquence de rotation en tr/s ou en tr/min.
D) ESSAI DU MOTEUR EN CHARGE
1) Réalisation du montage
Dans cet essai, on alimente l’induit avec une source délivrant une tension continue U et l’inducteur avec une
source indépendante ( d’ou le nom de moteur à excitation indépendante ou séparée qu’on donne à ce moteur );
pour charger le moteur, on utilise un frein dont on peut faire varier l’effort de freinage. (Couple résistant de
moment TR )
A
A
I
ie
Sc
M
Rh
U
V
n
TR
FREIN
Question 3 :
Réaliser le montage en effectuant les opérations suivantes dans l’ordre :
- repérer sur la plaque les bornes de l’inducteur ( excitation )
- faire le câblage du circuit de l’inducteur en bleu ; la source Sc est située à l’extrémité gauche de la
table de manipulation, Rh est un rhéostat de 1000 Ω monté en potentiomètre ( voir l’annexe 2 : ce
document reste sur la table de manipulation)
- réaliser le câblage du circuit d’induit en rouge ; pour la réalisation de la source réglable délivrant la
tension U , voir l’annexe 2 .
- enfin, pour utiliser le frein et la génératrice tachymétrique, il faudra utiliser le boîtier de mesures
mécaniques déjà utilisé pour le TP du moteur asynchrone.
FAIRE VERIFIER
2) Mesures
Question 4 :
Déroulement de la manipulation :
- Vérifier que U = 0 ( alternostat à 0 ) et Tu = 0 ( potentiomètre à 0 sur le boîtier de mesures ).
- Alimenter l’inducteur et régler ie à 0,44 A.
- Mettre l’induit sous tension et augmenter progressivement U jusqu’à ce que n = 1500 tr/min ; relever le
premier « point » du tableau.
- Compléter le tableau : pour chaque point, il faudra « ajuster » U pour que la vitesse reste constante
(1500 tr/min )
Tu (Nm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9,5
régime
nominal
I (A)
U(V)
Question 5 :
Tracer la courbe U = f (I) avec les échelles suivantes : U ( 10 V / cm ) ; I ( 0,5 A / cm )
Quel est le rapport entre la courbe obtenue et la relation trouvée à la question 2 ?
Déterminer la valeur de la résistance R de l’induit.
10
E) BILAN DE PUISSANCE DE L’INDUIT
Pu
Pe
Pa
pfer
pJ
pméca
Pa : puissance électrique absorbée par l’induit :
C’est la puissance absorbée par le circuit équivalent de la page 2 :
Pa = U.I
CHALEUR
!
En utilisant la relation U = E + R.I on peut écrire : Pa = ( E + R.I ).I = (E.I ) +( R.I²)
Ce qui veut dire qu’une partie de cette puissance est perdue par effet Joule dans la résistance de l’induit. Le
reste sera transformé en puissance mécanique par l’induit et porte le nom de puissance électromagnétique.
Question 6 :
Calculer Pa au régime nominal
pJ : pertes par effet Joule dans l’induit :
pJ = R.I²
Question 7 :
Calculer pJ au régime nominal
Pe : puissance électromagnétique
Pe = E.I
C’est donc la puissance transformée en puissance mécanique.
Une partie de cette puissance mécanique est perdue à cause de deux phénomènes : les pertes mécaniques et les
pertes dans le fer.
pméca : pertes mécaniques :
Comme pour les autres moteurs, elles sont pratiquement proportionnelles à la fréquence de rotation.
pfer : pertes dans le fer ou magnétiques :
Elles sont dues à la rotation de la masse métallique de l’induit « dans » le champ magnétique produit par le
stator ( courants de Foucault ) ; on admet qu’elles sont proportionnelles à la fréquence de rotation .
Contrairement aux pertes dans le fer du moteur asynchrone qui interviennent au stator, les pertes « fer » du
moteur à courant continu interviennent au rotor et ont donc un « effet de freinage » sur le moteur et contribuent
au couple de pertes du moteur.
Remarque : Comme elles dépendent toutes les deux de la vitesse , on regroupe souvent pméca et pfer ; leur somme
est notée pc et quelquefois appelée « pertes constantes » ou « collectives » bien que ces deux dénominations ne
soient pas satisfaisantes. Pour déterminer la valeur de pc , il faut faire l’essai à vide du moteur.
Pu : puissance mécanique utile
Comme d’habitude, elle est donnée sur la plaque signalétique du moteur. C’est la puissance « disponible sur
l’arbre ».
Question 8 :
Déterminer pc par un calcul.
F) COUPLES
1) Couple électromagnétique
a) Expression générale
P
E.I
= K.Φ.I
Te = e =
Ω
Ω
Te = K.Φ
Φ.I
b) Application aux moteurs à flux constant
On pose K.Φ = k’ et il vient : Te = k’.I
c) Application aux moteurs « série ».
Pour ce type de moteur, c’est le courant d’induit I qui traverse le bobinage inducteur et qui crée le flux ; si la
machine n’est pas saturée, on peut poser Φ = a.I et donc :
Te = k’’.I²
2) Autres couples
a) Couple utile
Tu =
Pu
Ω
b) Couple de pertes
Tp =
p fer + p méca
Ω
G) RENDEMENT
1) Moteur à excitation indépendante
Il faut tenir compte de la puissance pexc absorbée par l’inducteur
pexc = ue.ie = re.ie² et donc :
Pu
η=
Pa + p exc
Question 9 :
Mesurer la résistance re du bobinage de l’inducteur ; en déduire la puissance pexc perdue dans ce bobinage.
Calculer le rendement du moteur au régime nominal.
2) Moteurs à aimants permanents et « série »
η=
Pu
Pa
H) CARACTERISTIQUE MECANIQUE DU MOTEUR
1) Mesures
Question 10 :
Reprendre le montage et le protocole de l’essai en charge [ paragraphe D)]
Essai n°1 :
Régler U à 100 V et compléter le tableau ci-dessous en maintenant cette valeur constante.
Tu (Nm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9,5
10
régime
nominal
I (A)
n(tr/min)
Essai n°2 :
Régler U à 200 V et compléter le tableau ci-dessous en maintenant cette valeur constante.
Tu (Nm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9,5
10
régime
nominal
I (A)
n(tr/min)
2) Tracé de la caractéristique
Question 11 :
Tracer les deux caractéristiques avec les échelles suivantes : 100 tr/min par cm pour n et 1 Nm par cm pour
Tu