Machines à courant continu

Machines à courant continu
Fonction d’usage :
La machine à courant continu peut fonctionner en « moteur » ou en « génératrice »
1) Constitution générale d’une machine à courant continu :
Les machines à courant continu sont essentiellement composées :
D’un circuit électrique :
- inducteur pour créer un flux magnétique
- induit pour créer un courant ou une force selon le mode de fonctionnement de la machine
D’un circuit magnétique pour canaliser le flux magnétique
D’une partie mécanique pour fixer les différents organes les uns par rapport aux autres.
2) Vocabulaire
Stator : c’est la carcasse (ou le bâti ou la culasse) du moteur. Partie fixe de la machine
Rotor : c’est la partie tournante de la machine
Flasques : ce sont les deux côtés de la machine. Ils portent les paliers de l’arbre du rotor.
Inducteur : c’est le bobinage ou l’aimant permanent qui produit le champ magnétique. Il est porté par le stator
Induit : c’est le bobinage porté par le rotor
Balais : ce sont les pièces de graphite qui permettent d’alimenter électriquement le rotor
Collecteur : partie du rotor qui assure la liaison électrique entre les conducteurs et les balais
3) Création d’une Force Electro Motrice (FEM)
N S
B
r
e e
1 2 Pouce : champ
majeur : courant
Main gauche
index : chemin
Le moteur à courant continu est un convertisseur d’énergie
électrique en énergie mécanique
La génératrice à courant continu est un convertisseur
d’énergie mécanique en énergie électrique
Transformer
l’énergie électrique
en énergie
mécanique
Energie
électrique
absorbée
U ; I
Energie
mécanique
utile
C ; Ω
ΩΩ
Ω
Moteur à courant
continu
Transformer
l’énergie
mécanique en
énergie électrique
Energie
électrique
utile
U ; I
Energie
mécanique
absorbée
C ; Ω
ΩΩ
Ω
Génératrice à
courant continu

Si on considère le conducteur 1 placé sur l’induit qui tourne, ce conducteur coupe les lignes de champ magnétique. Il est alors le
siège d’une force électro-motrice induite (FEM) dont le sens est donné par la règle des 3 doigts de la main gauche.
Si on considère la spire formée par les conducteurs 1 et 2 , les 2 FEM s’ajoutent.
On peut fermer le circuit sur un récepteur. On a réalisé un générateur de courant.
4) Valeur de la FEM :
5) Réversibilité :
Si on fait circuler un courant dans la spire, en présence d’un flux magnétique inducteur, une force agit sur les conducteurs et fait
tourner l’induit.
On a réalisé un moteur à courant continu.
La machine à courant continu (MCC) fonctionne aussi bien en génératrice quand elle est entraînée, qu’en moteur quant elle est
alimentée en courant continu : c’est la réversibilité.
6) Principe de fonctionnement du moteur à courant continu :
L’inducteur, alimenté en courant continu, produit un champ magnétique dont le flux est canalisé par le stator
L’induit du moteur est alimenté en courant continu par l’intermédiaire des balais et du collecteur
L’action du champ magnétique sur les conducteurs d’induit parcourus par un courant donne naissance à des forces qui agissent
tangentiellement sur les conducteurs de l’induit. (règle des 3 doigts de la main droite: Courant – Champ – Force)
Ces forces sont appelées: forces de Laplace. Elles entraînent le rotor dans un mouvement de rotation
7) Différents types de moteur à courant continu et leur symbole:
Selon le mode de branchement de l’inducteur, on trouve:
Les moteurs dont l’inducteur est constitué par des aimants permanents.
Les moteurs à excitation séparée (l’inducteur peut être alimenté séparément par une source d’énergie autre que celle de l’induit)
Les moteurs à excitation série (l’inducteur est branché en série avec l’induit)
Les moteurs à excitation dérivation (l’inducteur en branché en parallèle sur l’induit)
Coupe transversale
d’un moteur
à courant continu
M
=
induit
inducte
ur
Moteur à excitation
en dérivation
M
=
induit
inducteur
Moteur à excitation
séparée
M
=
induit
inducteur
Moteur à excitation
série
aimant
(inducteur)
M
=
induit
Moteur à aimant
permanent
E : force électromotrice (FEM) en volts
N : nombre de conducteurs de l’induit
n : vitesse de rotation du rotor en tr/s
φ: flux magnétique en webers
E= N . n .
φ
φφ
φ
=
= =
=
K . n .
φ
φφ
φ
Pouce : courant
index : champ
majeur :force
Main droite
N S
Sens de rotation
Couple
moteur
F
r
F
r
Bobine inductrice

8) Formules relatives aux moteurs:
a) Loi des mailles
Schéma électrique équivalent du circuit d’induit du moteur :
D’après la loi des mailles :
dt
di
LiREU ×++= ..
La tension
dt
di
L.
n’existe que si le courant est variable, c'est-à-dire lors des régimes transitoires : démarrage, ralentissement, variation du
couple résistant.
Remarque : à l’instant de démarrage, E = 0 ;
0=
dt
di
L
 I
démarrage
= U/R
b) Vitesse de rotation :
E = K
e
.n. φ d’où :
φ .
e
KE
n= en remplaçant E par U - RI, on obtient :
Si φ est constant (cas des moteurs à aimants permanents) : E = K
e
. n et
La tension (U) appliquée à l’induit permet de régler la vitesse de rotation (n)
La constante K
e
(appelée constante de FEM) . Elle est donnée par le constructeur.
Attention à son unité, elle peut être donnée en :
- Volts/radians/seconde (dans ce cas dans la formule E=K.n , E est en volts, n en rd/s et dans ce cas : n est noté Ω. Ε=Κ.Ω
Ε=Κ.ΩΕ=Κ.Ω
Ε=Κ.Ω)
- Volts/tours/seconde (dans ce cas dans la formule E=K.n , E est en volts, n en t/s)
- Volts/tours/minute (dans ce cas dans la formule E=K.n , E est en volts, n en tr/min)
- Ou autre
U = tension d’alimentation de l’induit (en volts)
i = courant circulant dans l’induit (en ampères)
R = résistance du bobinage de l’induit (en Ohms)
L= Inductance du bobinage de l’induit (en Henrys)
E’ = FCEM = force contre électromotrice (en volts)
U
E
R
I
U
E
R
i
L
R.i
dt
di
L
φ .
e
KRIU
n
−
=
En régime établi, le courant est constant , donc la quantité
dt
di
L. est
nulle, et l’équation précédente devient : U = E + R.I
Le schéma équivalent de l’induit devient :
R.I
U
U
n
Ω
0
Ω
n
Caractéristique
Ω
=f(U) du moteur CC (flux constant)
ee
KRIU K
E
n
−
==

c) Couple électromagnétique :
On applique la relation :
Pe = E . I or E = K.φ.Ω
Pe = K.φ.Ω.Ι = C.Ω soit C = K. φ. Ι
(K
i
= constante de couple. Elle est donnée par le constructeur)
Dans le cas du moteur à aimants permanents
Remarques :
 K
e
= K
i
si les unités sont respectées : V/Rad/s pour K
e
et N.m/A pour K
i
 Le couple moteur utile = Cu = Pu/Ω. = Ce – Cp (Cu = Ce si on néglige le couple de pertes mécaniques Cp)
 Le couple moteur utile(Cu) = couple résistant de la machine entraînée (Cr) + couple accélérateur (Cacc=
dt
d
J
Ω
. )
Cu = Cr +
dt
d
J
Ω
.
(J = moment d’inertie de la machine entraînée+ moment d’inertie du rotor du moteur)
d) Bilan des puissances :
• Puissance absorbée : Pa = U . I
• Pertes Joules : Pj =Pj
induit
+Pj
inducteur
:
Pj(induit) = R.I
2
Pj(inducteur) = r.i
2
• Puissance électrique : Pe = E . I
Pe = Pa – R.I
2
= Pa - Pj
Pe = Ce. Ω (Ce = couple électromagnétique)
• Puissance utile (ou puissance mécanique) :
Pu = Cu . Ω (Cu = Couple utile ou couple mécanique. Cu = Ce si on néglige les pertes mécaniques)
Pu = Pe – pertes méca ;
Pu = Pa – R.I
2
– pertes méca = U . I – R.I
2
– pertes méca
Rendement : le rendement est défini par le rapport de la puissance de sortie sur la puissance d’entrée :
En moteur :
Pertes Joules induit (+inducteur)
Pertes mécaniques
Pu ou Pm
P
e
: puissance électromagnétique en Watts (Pe = E.I)
C
e
: couple électromagnétique en N.m
Ω : Vitesse angulaire en radians/s
Ω = 2.π.n ; (n= vitesse de rotation en tours/s)
P
e
= C
e
.
Ω
ΩΩ
Ω
C
e
= K
i
.
φ
. I
C
e
= K
i
.I
I
U
PertesPjIU
Pa
Pm
meca
.
.
−
−
== η
R=résistance de l’induit
I=intensité dans l’induit
r= résistance de l’inducteur
i=intensité dans l’inducteur
Si l’inducteur est un aimant permanent : Pj
inducteur
= 0
T
u
I
0
Caractéristique Tu=f(
Ι
) (flux constant)
Pa=U.I Pe=E.I
=Pa-Pj
entrée
sortie
P
P
= η
Tu
n
In

Application :
Un moteur à courant continu à aimants permanents, est alimenté sous 460 volts, son courant nominal est de 21A et sa résistance
d’induit R=2,78Ω. Sa vitesse de rotation nominale est n = 1580 t/min. Pertes mécaniques = 400W.
Réponses :
Ω=
Ke =
Pa=
Pu=
Rendement =
Cu =
Id =
Cd =
Questions :
- fréquence de rotation en rd/s ?
- constante électrique Ke ?
- puissance absorbée au point de fonctionnement nominal ?
- puissance utile ?
- rendement ?
- couple utile nominal (Cu
n
)?
- courant de démarrage Id
- Couple de démarrage (Cd)