Etude d`une machine à courant continu polyexcitation I

TP : Etude d'une machine à courant continu polyexcitation
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Etude d’une machine à courant continu polyexcitation
I - Rappels
1.1 - Constitution
La machine est composée de trois parties :
- Le stator, partie fixe de la machine, contient les enroulements de l'inducteur.
- Le rotor, constitué de tôles et de bobinages contient les enroulements de l'induit.
- Le collecteur est un ensemble de lames électriquement reliées à des points équidistants des enroulements de
l'induit. La liaison avec l'extérieur est assurée par des contacts glissants appelés "balais".
1.2 - Couple électromagnétique
La structure des enroulements de l'induit et des contacts glissants balais-collecteur fait que la répartition des courants
dans l'induit reste immuable lors de la rotation. Sur le schéma ci-dessous il est rappelé que ces courants se répartissent
symétriquement par rapport à la ligne de neutre.
r
M
r
C
r
B
Ainsi le rotor se comporte comme une bobine équivalente stationnaire dont le moment magnétique
r
M est orthogonal au
champ inducteur
r
B, le couple qui s'exerce alors sur la bobine vaut :
r
r
r
CMBCMB SIB I=∧⇒= = = φ
avec S la surface de la bobine équivalente, I le courant dans la bobine équivalente.
On démontre que dans le cas de la machine réelle, l’expression du couple en régime permanent est la suivante:
Cp
anIkI
em = =
1
22 2πφ φ
Avec 2p le nombre de pôles et 2a le nombre de voies d'enroulement du rotor, n le nombre de conducteurs actifs, φ le flux
moyen par pôle et I l'intensité dans l'induit.
A vitesse constante, le couple moteur est égal au couple résistant appliqué sur l'arbre moteur. Si le couple résistant
augmente, la vitesse diminue ce qui provoque transitoirement une augmentation importante du courant donc du couple
électromagnétique pour atteindre un nouveau point d'équilibre.

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1.3 - Force électromotrice
La force électromotrice de la machine s’exprime de la manière suivante:
Ep
ank= =
1
22 2πφ φΩ Ω
O? Ω représente la vitesse de rotation (rad/s). k est le même que dans la formule du couple électromagnétique.
1.4 - Représentation schématique - Equations de base
Ra
I
IeRe
induit
inducteur
E
Remarque:
Dans le cas de l’enroulement d’excitation shunt on a Re >> Ra, cet enroulement est branché en parallèle sur l'induit.
Dans le cas de l’enroulement d’excitation série on a Re ≅ Ra, cet enroulement est branché en série avec l'induit.
1.5 - Démarrage d'un moteur à courant continu
Au moment de la mise sous tension, la vitesse N étant nulle la f.é.m. E est nulle d’après la relation précédente. Si le
moteur est alimenté sous la tension nominale, le courant transitoire va être très supérieur à sa valeur nominale. Ceci est
dû au fait que l’induit se comporte comme un circuit Ra, L dont la constante de temps est rapide (τe qq. ms) devant la
constante de temps mécanique (τm qq. s). Il est donc nécessaire pour ne pas détériorer la machine de limiter le courant de
démarrage. On rappelle les deux équations différentielles qui régissent le comportement du moteur à excitation constante:
( ) ( ) ( )
(
)
( ) ( )
utetRi t Ldi t
dt etkt
a
= + + =avec φΩ
(
)
( )
Jdt
dt ki t Cch
Ω= −φ
Une première méthode consiste, lorsqu’on possède une source de tension continue fixe unique, à rajouter un rhéostat de
démarrage en série avec le circuit d’induit. Ce rhéostat est dimensionné pour supporter le courant transitoire, pendant un
temps bref. Une fois la machine lancée, le rhéostat est court-circuité. Le démarrage du moteur shunt s’effectue sous le
flux maximum. Le circuit d’excitation sera donc alimenté sous la tension nominale.
Une seconde méthode possible consiste à utiliser une source de tension continue variable. La tension appliquée aux
bornes de la machine shunt est alors progressivement amenée à sa valeur nominale pour que le courant ne dépasse pas
transitoirement sa valeur nominale.

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1.6 - Variation de vitesse d'un moteur à courant continu
Considérons l'équation électrique en régime permanent. On peut écrire:
NV R I
ka
=−φ (1)
La vitesse peut donc être réglée par action soit sur la tension d’alimentation V, soit sur le flux d’inducteur.
La variation de vitesse par la tension d’alimentation (encore appelée variation de vitesse par l’induit) nécessite une
source de tension réglable d’une puissance équivalente à celle de la machine. Ceci peut être réalisé à l’aide d’un
redresseur commandé à thyristors si l’on dispose d’une source alternative fixe, ou encore à l’aide d’un redresseur non
commandé alimenté par un autotransformateur. Enfin il existe des sources de tensions continues variables utilisant des
convertisseurs continu-continu du type hacheur.
La variation de vitesse par l’inducteur nécessite une source de tension réglable de moindre puissance permettant le
réglage du courant d’excitation. Cette source peut-être obtenue soit par adjonction d’un rhéostat (Rhéostat de champ) à
une source de tension fixe, soit par un dispositif de l'électronique de puissance. Cependant la chute de tension RaI étant
faible, la vitesse est quasiment inversement proportionnelle au flux d’inducteur. Il est donc dangereux d’annuler le
courant inducteur, car la vitesse correspondante serait alors très grande devant la vitesse nominale (Phénomène
d’emballement) .
II Manipulations
2.1 - Objectifs
Etude du fonctionnement de la machine à courant continu à excitation shunt en génératrice
- Caractéristique à vide. E = f (Ie) à N = cste.
- Caractéristique en charge. VG = f(I) à N = cste et Ie = cste.
- Fonctionnement en auto-excitation.
Etude du fonctionnement de la machine à courant continu à excitation shunt en moteur
- Caractéristique électromécanique C = f (I) à excitation constante.
- Caractéristique mécanique C = f (N) à excitation constante.
Etude du fonctionnement de la machine à courant continu à excitation série en moteur
- Caractéristique électromécanique C = f (I).
- Caractéristique mécanique C = f (N).

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Le banc se compose de deux machines mécaniquement accouplées. La première machine comporte plusieurs
enroulements d’excitations permettant de la faire fonctionner soit en machine shunt soit en machine série. La seconde
machine est une dynamo balance à excitation shunt.
Dynamo
Tachymétrique
Machine
polyexcitation Dynamo balance
Une alimentation de tension continu réglable protégé en courant permet de régler la tension d’alimentation continu entre
0 et 250 Volts. Un plan de charge résistif permet de charger la génératrice.
La vitesse est mesurée à l’aide d’une dynamo tachymétrique placée en bout d’arbre.
2.2 - Schémas de câblages de la machine polyexcitation
2.2.1 - Montage de la machine polyexcitation en moteur shunt:
Source
continue
variable
0-250V
M
shunt
série 1
série 2
Rhéostat
1000 Ω
2.2.2 - Montage de la machine polyexcitation en moteur série:
Source
continue
variable
0-250V
M
shunt
série 1
série 2
2.3 - Caractéristique des machines étudiées
On relèvera les valeurs inscrites sur les plaques signalétiques des machines étudiées, et de la dynamo tachymétrique.
Ces machines ont une vitesse nominale de 1500 tr/min.

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2.4 - Fonctionnement en génératrice
La machine étudiée est la dynamo balance. Elle est entraînée en rotation par la machine polyexcitation.
Réaliser le montage de la machine polyexcitation en moteur shunt conformément au schéma 2.2.1. Le rhéostat d’excitation
sera réglé de manière à avoir une vitesse de 1500 tr/mn. lorsque la tension est de 250V.
Attention, pour une même tension d’alimentation, plus on diminue l’excitation donc le flux et plus la vitesse augmente. Il
ne faut donc pas en fonctionnement moteur couper le courant d’excitation sous peine d’emballer la machine.
2.4.1 - Fonctionnement en excitation indépendante
Caractéristique à vide:
On désire tracer la courbe E= f (Ie) à N = Cste. Pour cela, on alimente l'inducteur de la dynamo balance par la source
continue variable (0-250V) à travers un rhéostat permettant de régler le courant. Le courant d'excitation Ie pourra évoluer
entre 0 et Ien, en jouant sur le rhéostat de 3,3 KΩ. L'induit est connecté à un voltmètre. On rappelle que VG et E sont
confondues à vide (I = 0).
Source
continue
variable
0-250V
M
shunt
série 1
série 2
Rhéostat
1000 Ω
M
shunt
A
Rhéostat
3300 Ω
V
- Tracer la courbe demandée pour N = 1500 t/min.
- Vérifier que pour deux vitesses de rotation N1 = 1500 et N2 = 1300 t/min. les f.é.m. correspondantes E1 et E2 vérifient la
relation suivante pour la même valeur de courant d’excitation Ie:
E
E
N
N
1
2
1
2
=