Différents modes d`excitation des machine à

Electrotechnique – Niveau 3
2010-2011
PLAN DE LA LEÇON N°7
TITRE DE LA LEÇON :
Différents modes d'excitation des machine à courant continu
OBJECTIFS :
A la fin de la séance l'étudiant doit être capable de :
 Définir le régime de neutre ;
 Reconnaître les différents régimes de neutre ;
 Déterminer les courants de défaut ;
 Etablir l'appareillage de protection adéquat pour chaque régime de
neutre.
PRE-REQUIS :
 Lois d'électricité.
 Appareils de mesure.
H. BEN AMMAR
61
Electrotechnique – Niveau 3
2010-2011
DIFFERENTS MODES D'EXCITATION DES MACHINE A COURANT
CONTINU
OBJECTIF GENERAL :
Identifier l'appareillage de sécurité des installations et des personnes selon
le régime de neutre établi.
OBJECTIFS SPECIFIQUES
ELEMENTS DE CONTENU
METHODOLOGIE
EVALUATION
DUREE
 Formative.
20 mn
 Formative.
60 mn
 Formative.
10 mn
ET MOYEN

Définir le régime de
neutre.
1. Définition des régimes
de neutre.
 Exposé
informel.
 Notes de cours.
 Reconnaître les
différents régimes de
1. Régime TT.
 Exposé
2. Régime TN.
informel.
neutre.
3. Régime IT.
 Notes de cours.
 Exemples.
 Etablir un choix de
1. Comparaison entre les
régime de neutre
différents régimes de
capable de remplir la
neutre.
fonction à assurer.
H. BEN AMMAR
 Exposé
informel.
 Notes de cours.
2. Conclusion.
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Electrotechnique – Niveau 3
2010-2011
DIFFERENTS MODES D'EXCITATION DES MACHINE A
COURANT CONTINU
XXVIII.
Excitation séparée
On dispose d'un moteur à courant continu dont l'excitation est indépendante comme le montre
la figure suivante où l'induit et l'inducteur sont alimentés séparément par deux sources de
tensions différentes.
j
V
Fig.7.1. Moteur à excitation
r
I
E0 -ε(I)
+e b+RI
M
U
séparée
I.1.
Caractéristique à vide E0( J )
La caractéristique à vide est déterminée pour une vitesse N constante et un courant I nul, elle
p

 N 
est exprimée sous la forme suivante : E v   nN  a e  S cos  J
 l 
a

Rc
Ev
p
nN 0
a
0  BS cos 
 N
B  a e ie
l
S  2 RL
Ev 
à N constante
Fig.7.2. Caractéristique à
vide d'un moteur à
excitation séparée
∆Ev
Er
J (A)
∆J
Pour un fonctionnement à flux constant on aura les relations suivantes :

p
 N
E v   nN  a e
 l
a
où K 


 S cos  J ce qui implique E v  K



p   a N e 
1
n 
 S cos  J 
a  l 
2

Grâce à la relation E v  K , qui défini la proportionnalité ente la fém est la
vitesse de rotation, on peut établir plusieurs caractéristiques à vide pour chaque
fréquence de rotation.
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63
Electrotechnique – Niveau 3

2010-2011
Pem  C em   Ech I si Ech  Ev alors C em   KI  C em  KI
Grâce à la relation C em  KI , qui défini la proportionnalité ente le couple
électromagnétique est le courant de l'induit, on peut établir plusieurs
caractéristiques pour différents courants d'induit.
La résistance critique est la pente de la caractéristique à vide à l'origine, telle que Rc 
E v
,
J
c'est le cas de désamorçage de la génératrice.
I.2.
Caractéristique naturelle U( I )
La caractéristique naturelle est définie par sa vitesse constante N et son courant d'excitation
constant J.

Lorsque le courant I=0 implique U=E0(J) ;

La machine débite une tension U qui est égale à U=E0-(RIa+eB+KEN ∆Φ)
avec : U=E0-εT(I) et Ech=E0- ε(I) où
Fig.7.3. Caractéristique
naturelle d'un
moteur à excitation
εT(I)=ε(I)+ RIa+eB
U
E0
séparée
εT (I)
I
I.3.
Caractéristique de réglage J( I )
La caractéristique de réglage est déterminée par une vitesse constante N et une tension de
charge constante U.

Alors pour maintenir U constante il faut augmenter E0 de la quantité ε(I) ;

Quand U diminue, la pente de J(I) est moins forte car E0 augmente plus vite en
fonction de J que lorsque le circuit magnétique saturé.
J
Fig.7.4. Caractéristique de
réglage d'un moteur
(N,Unominale)
(N,Un/2)
à excitation séparée
I
La résistance critique c'est la pente de la caractéristique à vide à l'origine, telle que Rc 
H. BEN AMMAR
E v
.
J
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Electrotechnique – Niveau 3
XXIX.
2010-2011
Excitation shunt
Soit une génératrice à courant continu a excitation shunt comme le montre la figure suivante
où l'induit et l'inducteur sont alimentés par la même source de tension.
j
I
I+J
Fig.7.5. Génératrice à
r
G
excitation shunt
II.1.
Phénomène d'amorçage
U
Rh
Un entraînement de la machine fait naître une f.e.m induite rémanente Er, fait à son tour
circuler un petit courant J qui augmente la f.e.m d'ou l'augmentation de J jusqu'à égalité de
(r+Rh)J et E0.
E0(V)
Rc
P Droite des inducteurs
Fig.7.6. Caractéristique à vide
Droite désamorçage
d'une génératrice à
Droite d'amorçage
excitation shunt
αe
α
J(A)
Er
Jn
II.2. Droite des inducteurs
A vide la génératrice ne débite par un courant de charge I=0 d'où les relations suivantes
E0(J)=U
(1)
,
et (r+Rh)J =U
(2).
On a alors E0(J) =(r+Rh)J et U=(r+Rh)J donnent un point de fonctionnement P qui est le
point de fonctionnement nominal de la génératrice en charge.
La relation Rh  r 
U
est appelée droite des inducteurs, c'est la droite d'amorçage de la
J
génératrice en courant continu.
Le désamorçage est assuré par l'équivalence de la droite des inducteurs à celui de la résistance
critique.
H. BEN AMMAR
65
Electrotechnique – Niveau 3
2010-2011
E0(V)
Rc
R'c
N
Fig.7.7. Caractéristique à vide
N'
pour différentes
Tg(α) = Rc
Tg(α') = R'c
vitesses
α'
α
J(A)
Er
Pour un même courant d'excitation J, on peut établir proportionnalités suivantes :

Les courbes à vide par l'exploitation de la relation E0  KN , telle que E0  E ' 0

Le couple électromagnétique par l'exploitation de la relation C em  KI , tel que
C em  C ' em
N
.
N'
I
.
I'
II.3. Bilan des puissances cas d'une génératrice

Les poules joules dans l'inducteur : Pjr  r  Rh J 2 ;

Les pertes joules dans induits : PjR  R I  J  ;

La puissance utile : Pu  UI ;

La puissance absorbée : Pa  Pu   pertes ;

Le rendement :  
2
Pu
 84%.
Pa
XXX. Excitation série
Soit une génératrice à courant continu a excitation série comme le montre la figure suivante
où l'induit et l'inducteur sont alimentés en série par la même source de tension.
r
I
Fig.7.8. Génératrice à
excitation série
G
U
III.1. Phénomène d'amorçage
Pour entraîner l'amorçage de la machine il faut que :

la machine soit fermée sur une charge I  J  0 ;

le flux rémanent Φr existe ;
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66
Electrotechnique – Niveau 3

2010-2011
la résistance de la charge soit inférieure à la résistance critique (pour provoquer
l'amorçage) ;

le produit Φr soit positif, c'est le flux additif.
III.2. Caractéristiques en charge à une vitesse N constante
On a U=E0-eB-εT(I)-(R+r)I, si on négligeable eB-εT(I), on aura la relation U=E0-(R+r)I
a. zone linéaire
La f.e.m est de la forme E0 = k J et le courant de l'induit J=I ce qui implique E0 = k I,
d'où la tension U peut être exprimée par la relation suivante U= αI avec α=k-(R+r), c'est
une droite de pente positive α.
b. zone saturée
A la saturation de la machine la f.e.m sera constante, qu'on peut mettre U sous la forme
U=β-γI, avec β= E0 et γ= R+r, c'est une droite de pente négative.
U(V)
U = β-γI
Fig.7.9. Caractéristique en
charge d'une génératrice
U = αI
à excitation série
la pente<0
la pente>0
I(A)
III.3. Freinage rhéostatique
Au premiers instants du freinage C emf  C emd , or C emf  K M  f I f et
C emd  K M  d I d .Sachant que  f  kI n et  d  kI d , ce qui implique
C emf  K M kI n I f  C emd
I d2
 K M kI  I f 
.
In
2
d
Aux premiers instants du freinage E f  E n avec le même flux et la même vitesse.
E n  U n  R  r I n et E f  R  r  Rh I f  Rh 
H. BEN AMMAR
Ef
If
Rr
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Electrotechnique – Niveau 3
XXXI.
2010-2011
Excitation composée "Compound"
IV.1. Phénomène d'amorçage
La génératrice à excitation composée porte dans son inducteur deux enreoulements, le premier
à excitation shunt de Nj spires "beaucoup de spires et de fil fin", le second à excitation série
de Ns spires "Quelques spires et de gros fil", tel que Nj>>Ns.
IV.2. Mode de branchement
On distingue deux modes de branchement :
a. Courte dérivation
L'enroulement Nj est shunté directement avec l'induit de la génératrice fig.7.10.
Rs
I
I-J
Fig.7.10. Génératrice à excitation
composée de courte
dérivation
Ns
J
Nj
r
G
U
Rh
a. Longue dérivation
L'enroulement Nj est shunté en série avec Ns, et tous les deux sont montés en parallèle avec
l'induit de la génératrice fig.7.11.
Rs
I
Fig.7.11. Génératrice à excitation
Ns
I-J
J
composée de longue
r
dérivation
G
Nj
U
Rh
Concernant les deux modes de branchement, on peut réaliser un compoundage additif ou un
compoundage soustractif suivant le sens d'orientation du flux de l'enroulement série par
rapport au flux de l'enroulement inducteur.
Les A.T série s'ajoutent aux A.T shunt, c'est le compoundage additif fig.7.12.
Les A.T série se retranche aux A.T shunt, c'est le compoundage soustractif fig.7.13.
H. BEN AMMAR
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Electrotechnique – Niveau 3
(a)
Φj
Nj/2
Ns/2
Nj/2
I
Ns/2
J
ΦR= Φj + Φs
r
J
I
2010-2011
(b)
Rs
I-J
Ns
I-J
Nj
G
U
I-J
Rh
Φs
(a)
(c)
(c)
(b)
Fig.7.12. Génératrice à excitation composée de courte dérivation à flux additif
Φj
"Compoundage additif"
I
(a)
Nj/2
Ns/2
Nj/2
I
Φs
I-J
J
r
Nj
G
I-J
(c)
I-J
(a)
Ns
Ns/2
ΦR= Φj - Φs
J
(b)
Rs
U
Rh
(c)
(b)
Fig.7.13. Génératrice à excitation composée de courte dérivation à flux soustractif
"Compoundage soustractif"
IV.3. Rapport d'équivalence
ΦR : le flux résultant dans la machine, tel que :  R   j   s crée par les ampères-tours : ATR.
 ATR  N j J  N s I avec N s I  N s I  J  où  ATR  N j J '

N
 N j J ' N j  J  s

Nj


N
I   N j  J  kI  avec k  s  1 puisque N j  N s , et J '  J  kI

Nj

k est le rapport d'équivalence, il est de l'ordre de quelques pourcents.
IV.4. Détermination du rapport d'équivalence "k"

On excite l'inducteur seul avec un courant J, les A.T, NjJ créent Φj, donnant lieu à E0.

On excite l'inducteur Ns par le courant I, les A.T, NsI créent Φs, donnant lieu à la même
fém et de la même vitesse.
E 0  K E N j  K E N s d'où  j   s  N j J  N s I 
H. BEN AMMAR
Ns
J
k
Nj
I
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