MACHINE A COURANT CONTINU

FORMATION CONTINUE – TECHNICIENS SUPERIEURS – INGENIEURS
ELECTROTECHNICIENS
MACHINES A COURANT CONTINU
Cours préparé par Bapio BAYALA
Edition 2010
SOMMAIRE
ORGANISATION DE LA MACHINE A COURANT CONTINU
I/ GENERALITES
1. ROLE
2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
3. PARTIES PRINCIPALES
II/ DESCRIPTION
1. INDUCTEUR
2. INDUIT
3. INCONVENIENTS
III/ BILAN DES PUISSANCES
1. FONCTIONNEMENT MOTEUR / GENERATRICE
2. DESCRIPTION DES PERTES
IV/ RENDEMENT
1. MESURES
2. RENDEMENT EN GENERATRICE
3. RENDEMENT EN MOTEUR
CARACTERISTIQUES DES MACHINES A COURANT CONTINU
I/ GENERALITES
1. CARACTERISTIQUES USUELLES
2. CARACTERISTIQUES PARTICULIERES
3. CAS DE LA GENERATRICE DERIVATION
II/ TYPES DE GENERATRICES
1. MODES D’EXCITATION
2. GENERATRICE A EXCITATION INDEPENDANTE
3. GENERATRICE A EXCITATION SHUNT
4. GENERATRICE A EXCITATION SERIE
5. GENERATRICE A EXCITATION COMPOSEE
III/ TYPES DE MOTEURS
1. MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE
2. MOTEUR A EXCITATION SHUNT
3. MOTEUR A EXCITATION SERIE
4. MOTEUR A EXCITATION COMPOSEE
IV/ DEMARRAGE DES MOTEURS
1. PROBLEMES DE DEMARRAGE
2. CALCUL DU RHEOSTAT DE DEMARRAGE
3. DETERMINATION GRAPHIQUE DU RHEOSTAT DE DEMARRAGE
1
ORGANISATION DE LA MACHINE A COURANT CONTINU
(MOTEUR ET GENERATRICE)
I/ GENERALITES
MACHINE A COURANT CONTINU
REVERSIBILITE
La machine à courant continu est réversible : elle
peut fonctionner en moteur ou en génératrice
SENS DE ROTATION
Pour inverser le sens de rotation d’un moteur à C.C. ,
on change le sens du courant soit dans l’induit, soit
dans l’inducteur seulement
REGLAGE DE LA VITESSE
La vitesse d’un moteur varie en sens inverse du flux inducteur.
Lorsque la résistance du Rhex augmente, la vitesse croit
Lorsque la résistance du Rhex dimunie , le moteur ralenti
COURANT DE DEMARRAGE
Au démarrage, E=0V, d’où Id=U/r très élevée
Emploi d’un rhéostat de démarrage pour limiter le courant
Id=U/(Rd+r) :la pointe de courant est la même à vide qu’en charge
1° ROLE ET UTILISATION
Faibles puissances :industrie automobile
(essuie-glace, lève-vitre, démarreur etc.)
Moyennes puissances :engin de levage
(treuils, grues etc.)
Grandes puissances : traction électrique (train)
2
2° PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
a) Moteur
Un conducteur parcouru par un courant I et placé
dans une induction B reçoit sur chaque élément de
F
longueur dl un effort dF = Idl ٨ B (effort de Laplace).
B
Force électromagnétique :
F=BIl
Le sens est donné par les trois doigts de la main droite :
Pousse
sens du champ magnétique B
Index
sens de la force électromagnétique F
Majeur sens du courant I
b) Génératrice
v
B
Si le conducteur placé dans l’induction B
se translate à une vitesse linéaire v il
apparaît une force électromotrice e aux
bornes de celui-ci :
e
(loi de Faraday ou loi de l’induction électromagnétique)
e = B.l.v
La règle des trois doigts de la main gauche (action d’un champ sur un courant ) permet de déterminer
le sens du courant et les polarités de la FEM induite
Pousse sens du champ B ; Index sens du déplacement V ;Majeur sens du courant induit ILa
machine à courant continu est bâtie sur ces deux principes.
L’induction est créée par des pôles magnétiques bobinés et alimentés en courant continu ou par des
aimants permanents: c’est l’inducteur.
Les conducteurs sont répartis régulièrement sur un cylindre soumis à une induction radiale: c’est
l’induit. Son axe est monté sur un arbre qui est guidé en rotation.
Les courants dans l’induit changent de sens de part et d’autre de la ligne neutre de telle sorte qu’ils
produisent des efforts qui contribuent dans le même sens au couple électromagnétique.
Le collecteur est un commutateur mécanique qui inverse le sens du courant dans les conducteurs qui
franchissent la ligne neutre.
3
c) Modèle équivalent de l’induit en fonctionnement moteur
r : Résistance interne du moteur caractérisant la résistance du bobinage de l'induit.
L : Inductance interne du moteur caractérisant l'inductance du bobinage de l'induit.
NB : En régime permanent le courant qui circule dans le moteur est constant donc la chute de
tension aux bornes de l'inductance interne du moteur est nulle. LdI/dt = 0 donc U = E + rI
d) Puissance électromagnétique d’un moteur
Travail fournit par un conducteur de long l sur une distance d .
W= Fd = Bild avec ld = S , W = BIS ; avec BS = Φ alors W= ΦI
Expression de la puissance électromagnétique d’une machine bipolaire
En un tour un conducteur coupe 2Φ soit ΔΦ =2 Φ
D’où le travail fourni en un tour est W= 2Φ I/2 = ΦI ;
Pour N conducteurs actifs W =N ΦI
Puissance électrique Pem = W/t avec t = 1/n (temps mis pour faire un tour)
Pem = NΦI = n NΦI
Pem = n NΦI
1/n
Par comparaison avec l’expression générale P w = UvIA d’où n NΦ est en volt
C’est la f.c.e.m
E’ = n NΦ
d’où P = E’ I
4
e) Expression générale de la F.E.M d’une machine multipolaire
Machine bipolaire à une paire de voies d’enroulement
2a=2
et 2p=2
Machine tétra polaire à deux paires de voies d’enroulement
2a=4 et 2p = 4
Avec une machine à 2p pôles la FEM induite dans un conducteur est e = 2pnΦ ;dans le cas général
des enroulements séries parallèles avec un nombre de voies d’enroulements 2a il y’a N/2a conducteurs
en série ; Si nous appelons :
a : paires de voies d’enroulement
2p
p
p : paires de pôles
E’= ---- n NΦ = --- n NΦ
2a
a
r :résistance d’induit
U :tension aux bornes de l’induit
E’ = U-rI
I : courant dans l’induit
f) Expression du couple électromagnétique
Par rapport au bilan de puissance sur l’induit: P = U.I = R.I 2 + Cem.
E.I ;Donc:
Cem = E.I /
= (p/a).N.I. /2 ; Cem = k’.
g) Expression de la vitesse
Le flux Φ étant fonction du courant d’excitation Iex
* Si Φ augmente alors n diminue
* Si Φ diminue alors n augmente
* Si Φ tend vers 0 alors le moteur s’emballe
.I
= R.I 2 +
si le flux est constant, alors Cem = K . I
a
n = ------ x E' = K . E’ = K (U - rIa)
pN
Φ
Φ
Φ
Il ne faut jamais couper le courant d’excitation d’un moteur si l’induit est sous tension
h) Réglage de la vitesse
Par action sur la tension d’induit
Grâce à l’électronique de puissance, on peut obtenir une grande plage de variation de vitesse et une
souplesse de réglage ;par ailleurs l’emploi du rhéostat de démarrage n’est pas nécessaire ;on distingue
plusieurs procédés :
Auto-transformateur et redressement non commandé
Redressement commandé ( pont tout thyristors ou pont mixte)
Tension continue réglable par hacheur
5
Par action sur le courant inducteur
On insère dans le circuit d’excitation un rhéostat de champ permettant de varier le courant d’excitation
i) Inversion du sens de rotation
Il suffit d’inverser le sens du courant dans l’inducteur ou dans l’induit ;en commande automatique on
peut utiliser des contacteurs ou des thyristors
K1
K2
M
K3
K4
K1 et K4 fermés :marche avant
K2 et K3 fermés : marche arrière
3° CONSTITUTION
La machine se décompose en deux parties principales :
- l’une , fixe, appelée inducteur (ou stator) est un électroaimant ;
- l’autre, mobile, appelée induit (ou rotor ) est l’armature tournante du précédent.
Le circuit magnétique d’une machine à courant continu est constitué :
-
du circuit magnétique de l’inducteur
du circuit magnétique de l’induit
de l’entrefer qui est la partie du circuit magnétique
constituée par l’air.
Remarque : Afin de renforcer le champ magnétique dans l’entrefer, les deux premières parties sont
réalisées dans un matériau ferromagnétique.
Le circuit électrique comprend :
-
l’enroulement d’inducteur
l’enroulement d’induit
l’enroulement de compensation
l’enroulement des pôles auxiliaires.
6
II/ DESCRIPTION
1° L’INDUCTEUR
Son rôle est de créer le champ magnétique inducteur dans la machine. Il est constitué par :
a) Une culasse (ou bâti) en fonte ou en acier coulé : C’est la carcasse de la machine, elle
supporte toutes les parties fixes et aux extrémités les deux paliers dans lesquels tourne l’induit. Elle
ferme le circuit magnétique de la machine.
b) Pôles principaux
Ils sont le plus souvent, pour des raisons économiques, formés de tôles épaisses de 1,5 mm découpées
puis assemblées.
Les noyaux polaires en acier coulé sont vissés à la culasse. Ils sont en nombre pair, et servent de
support aux bobines inductrices.
La présence d’encoches destinées à l’enroulement compensateur .Les trous servent à l’assemblage.
Parfois le noyau polaire est en acier doux plein et l’épanouissement polaire , ou pièce polaire
est feuilleté pour réduire les pertes par courants de Foucault .
Les épanouissements polaires sont destinés à augmenter la section de passage du flux de l’inducteur à
l’induit.
c) Les bobines inductrices sont placées autour des pôles. Leurs ampères-tours
produisent le flux. Ces bobines sont en série et bobinées de façon que l’un des épanouissements
polaires soit un pôle Nord et l’autre Sud .
La disposition des bobines est telle que, lorsqu’elles sont alimentées par un courant continu,
l’inducteur forme un électroaimant comportant un nombre paire de pôles, successivement Nord, Sud.
d) les pôles auxiliaires ou pôles de commutation . Ce sont des pièces polaires étroites en
série avec l’induit destinés à réduire les étincelles aux balais. Le champ produit une fem de valeur
égale et de sens contraire à la fem de commutation (self induction) due à l’inversion du courant. Dans
une machine leur nombre est égal à celui des noyaux polaires.
MACHINE TETRAPOLAIRE
4 POLES PRINCIPAUX
4 POLES AUXILLIAIRES
7
2° L’INDUIT
a) Rôle :il est le siège d’une f.e.m induite et est soumis à l’action d’un couple
électromagnétique.
Il tourne dans un champ magnétique fixe, il sera donc le siège de pertes par hystérésis et par
courants de Foucault. Ces derniers interdiraient pratiquement la rotation d’un cylindre plein. L’induit
est donc feuilleté. Les tôles de 0,2 mm d’épaisseur qui le constituent sont découpées à la presse,
isolées les unes des autres par une mince pellicule de vernis et assemblées. Pour réduite les pertes par
hystérésis ces tôles sont en acier au silicium. L’ensemble des pertes dans le fer y est de l’ordre de 2,5
watts par kilogramme pour une induction de 1,4 T et une fréquence de 50 Hz.
b) Encoches :Sur la périphérie de l’induit on a découpé des encoches dans lesquelles
viendront se loger les conducteurs de l’induit.
Le morceau de tôle restant entre deux encoches s’appelle une dent
c) Entrefers : Le diamètre extérieur de l’induit est à peine inférieur au diamètre intérieur de
l’inducteur : quelques millimètres seulement qui constituent les entrefers ;
d) Distribution du flux
1° Le flux sort du pôle N, s’épanouit un peu dans l’entrefer, traverse l’induit et entre dans le
pôle S. Il retourne au pôle N par les deux demi-culasses. Le flux dans la culasse est donc égal à la
moitié du flux sous un pôle.
La perpendiculaire à l’axe des pôles est appelée ligne neutre (In).
2° Dans l’entrefer ,les épanouissements polaires ne sont pas tout à fait concentriques à
l’induit, l’entrefer est plus large sous les cornes polaires les lignes de force y sont moins serrées et
l’induction décroît quand on va de l’axe des pôles vers les extrémités. Elle est nulle sur la ligne neutre.
3° Papillotement des lignes de force – Lors du défilé alterné des dents et des encoches les
lignes de force, qui ont tendance à se concentrer dans les dents, se déplacent autour d’une position
moyenne, c’est le papillotement .L’épanouissement polaire est donc le siège de courants de Foucault,
c’est pourquoi il est quelquefois feuilleté.
8
e) Bobinage
1° Chaque fil pris isolément s’appelle un conducteur, deux conducteurs forment une spire, les
spires sont groupées par section et les sections par bobine avant la mise en place dans les encoches.
Les fils sont isolés au vernis.
2° Disposition d’une section sur le rotor : Les deux moitiés se trouvent dans des encoches
presque diamétralement opposées. Les fils de sortie de la section sont soudés à deux lames de
collecteur voisines .
3° Frettage – Lors de la rotation les fils sortiraient des encoches à cause de l’inertie centrifuge.
Il est nécessaire de placer autour des têtes de bobines du rotor des frettes en fil ou en ruban d’acier
pour maintenir les conducteurs .
4° Collecteur : Placé à l’extrémité de l’induit et calé sur le même arbre ,il est formé de lames
de cuivre isolées entre elles par du mica. A l’arrière de la lame se trouve une ailette, usinée ou
rapportée, dans laquelle sont soudées l’entrée d’une section et la sortie d’une autre. Il y a donc autant
de lames que de sections.
5° Balais : Fixés sur l’inducteur par l’intermédiaire de porte-balais , ils sont en carbone et
frottent sur le collecteur grâce à des ressorts .Puisque le collecteur tourne, le contact avec les balais est
glissant et la densité de courant admise est relativement faible : 10 A /cm2 environ .
Les balais sont placés sur l’axe des pôles principaux. Il y a autant de balais que de pôles.
Collecteur
Ressorts
Bobinage
Balais
9
3° LES INCONVENIENTS
Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou charbons et le collecteur
rotatif.
Plus la vitesse de rotation est élevée, plus les balais doivent appuyer fort pour rester en contact
et plus le frottement est important.
Aux vitesses élevées les charbons doivent être remplacés très régulièrement.
Le contact électrique imparfait cause des arcs électriques, usant rapidement le commutateur et
générant des parasites dans le circuit d'alimentation.
Pour des fonctionnements en moteur de petite puissance ce problème peut être résolu grâce à la
technologie du moteur à courant continu sans balai communément appelé moteur
brushless : un dispositif d'électronique de puissance remplace l'ensemble balai - collecteur:
La position du rotor est détectée par des capteurs à effet Hall et le courant est commuté par des
transistors à effet de champ
III/ BILAN DES PUISSANCES
1° FONCTIONNEMENT EN MOTEUR ET GENERATRICE
a) Moteur
Pj induit
Pji = rI²
b) Génératrice
Pertes joule induit
Pertes
mécaniques
Puissance
mécanique
CmΩ
rI²
Puissance
électromagnétique
CemΩ = EI
Puissance utile
UI
Inducteur
uexiex
Pertes joule inducteur
Pertes Fer
Ri² ou ui
Excitation
séparée
Pertes joule
inducteur
uexiex
10
2° DESCRIPTION DES PERTES
1° Pertes dans le fer
Elles sont dues aux phénomènes d’hystérésis et de courants de Foucault dans la masse du
circuit ferromagnétique de l’induit. Elles sont fonction du champ magnétique et de la vitesse de
rotation. On les appelle aussi pertes magnétiques.
a) Pertes par hystérésis. – Elles sont proportionnelles à la vitesse et à peu près
proportionnelles au carré de l’induction : Ph = K1nB2
b) Pertes par courants de Foucault. – Elles sont proportionnelles au carré de la vitesse et de
l’induction : PF = K2n2B2 .
Lorsque le flux est à peu près indépendant de I (indépendant ou shunt), l’ensemble de ces pertes l’est
aussi. Il n’en est pas de même s’il y a un inducteur série.
2° Pertes mécaniques
a) Origine. – Elles sont produites par la ventilation et les divers frottements ( frottements de l’arbre
dans les paliers, frottements des balais sur le collecteur).
Ces pertes sont à peu près indépendantes de la charge, donc de I ; par contre elles dépendent de la
vitesse. Elles sont donc les mêmes à vide qu’en charge sauf pour le moteur série dont la vitesse varie
beaucoup.
b) Si la vitesse n’est pas trop élevée on peut admettre la proportionnalité Pm = kn, sinon il faut tenir
compte d’un terme du second degré : Pm = kn + k’n2.
3° Pertes constantes
La somme des pertes dans le fer et des pertes mécaniques est appelée pertes collectives ou pertes
constantes.
Pc = Pm + Ph +Pf ; c’est donc le total des pertes mécaniques et magnétiques. Par « constantes » on
entend qu’elles sont indépendantes de I, mais l’on qu’elles varient avec la vitesse et l’excitation (flux).
4° Pertes par effet joule dans l’induit
elles s’écrivent RIa2 (éventuellement RI’ 2 ). Pratiquement négligeables à vide elles varient fortement
avec la charge. Elles sont toujours calculables.
Son expression dépend de la résistance R du circuit induit et du courant I qui traverse ce dernier.
PjI = R I2
5° Pertes par effet joule dans l’inducteur
Elles s’expriment toujours par la formule RI2 avec des variantes dans la notation suivant le mode
d’excitation. La résistance du rhéostat d’excitation doit être incluse. Ces pertes sont toujours
calculables. Si la machine est à excitation constante (G et M indépendants, M shunt) elles sont
constantes, sinon elles varient avec la charge.
Noter que les pertes existent à vide.
U ex , tension aux bornes du circuit inducteur
2
P j ex = RI = U exI ex
I ex , courant dans l’inducteur
Remarque :La résistance des enroulements varie en fonction de la température, l’influence de
cette dernière est traduite par la formule.
Ro, résistance à la température de 0°C
a, coefficient de température
R = Ro(1 + aθ)
θ, température en degré Celsius
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IV/ RENDEMENT
1° Mesures du rendement
a) Formule de base. – C’est toujours η = Pu /Pa l’expression détaillée variant avec la machine et son
mode d’excitation.
b) Méthode de mesures
–Indirecte ou méthode dite des pertes séparées: c’est la plus économique et la plus
précise, c’est la seule utilisable pour les très grosses machines.
– Directes . – Elles sont nombreuses :moteur taré ;dynamo-frein etc.
1° Rendement en génératrice
Rendement vrai :
ηG =UI/(Pm+ui)
Rendement approché :
ηG = UI / [UI + (pj+pm+pf)+ui]
2° Rendement en moteur
Rendement vrai :
ηM = Pm/ (UI+ui)
Rendement approché :
ηM= UI -(pj+pm+pf) / (UI +ui)
3° Essai en moteur à vide
I0
Pour mesurer les pertes fer et mécaniques pour un fonctionnement normal
donné (Nt/mn ;U(V))on doit alimenter la machine sous une tension Uo
Fonctionnement en moteur :
Fonctionnement en génératrice :
U0 - rI0 = Un - rIa
U0 - rI0 = Un + rIa
i
I
u
M,r
a) Expression des pertes constantes
Pm+pf+rI0² = U0 I0 ou Pm+pf = U0I0 - rI0²
Pertes totales = P m+pf+pj=U0I0 - rI0² + rIa² = U0I0 + r(I²a - rI²0)
Pm+pf+pj = U0I0 + r(I²a - rI²0)
b) Machine à excitation indépendante
ηG =
UaIa
------------------------------------------------------------
ηM =
UaIa + UexIex+ [U0I 0 + r(I²a - rI²0)]
c) Machine shunt
UaIa- [U0I0 + r(I²a - rI²0)]
-----------------------------------------------
UaI a + UexIex
Poser U a = Uex
d) Moteur série
ηM =
Cu Ω
-----------------
avec Iex = Ia et U =rsIa +rIa+Ec
UaIa
12
U0
CARACTERITIQUES DES MACHINES
A COURANT CONTINU
I/ GENERALITES
1° CARACTERISTIQUE USUELLES
Le fonctionnement des machines est régie par quatre variables :
- La vitesse N
- Le Courant d’excitation Iex ou iex ou J
- La Tension aux bornes U
- Le Courant dans l’induit I
On obtient ainsi ,en fonctionnement génératrice, trois familles de courbes tracées à vitesse
constante :
1 ) Caractéristique externe ou à excitation constante U(I) avec N,J constants
2 ) Caractéristiques à tension constante ou courbes de réglage I (iex) avec N,U
constants
Elle sert à déterminer les rhéostats d’excitation et les régulateurs de tension.
3) Caractéristique à courant contant U(iex) avec I et N constants
2° CARACTERISTIQUE PARTICULIERE
Caractéristique à vide ou caractéristique interne E(iex) à I=O et N contant.
C’est une courbe de magnétisation et elle est affectée d’hystérésis ;elle traduit
graphiquement la relation qui existe entre la FMM et le courant d’excitation pour une vitesse
donnée et maintenue constante ;La caractéristique à vide est donnée par la courbe
moyenne. Son allure donne une idée de la qualité de construction de la machine. Elle permet
aussi de déterminer le point de fonctionnement qui en principe se trouve dans la zone
saturée. Elle est tracée à excitation séparée .
E(V)
Valeurs décroissantes de Iex
E(V)
Zone non
saturée
Zone saturée
Fin saturation
Courbe moyenne
Valeurs croissantes de Iex
Début saturation
I=0
N constant
Er
Er
Iex (A) 0
13
Iex(A)
3° CAS DE LA GENERATRICE DERIVATION
a) Caractéristique à vide
Iex
I
Ev
On peut insérer un rhéostat de résistance Rh dans le circuit inducteur
si Rh augmente la droite pivote en se rapprochant de l’axe Ev ; pour une
valeur Rhc la droite devient tangente à E( i ) .
G
Ec/ic =R+ Rhc =Rc
Rc= Résistance critique d’amorçage
NB : La résistance du circuit inducteur doit être < R c
Rh
U=(R + Rh)i
Ev
Point de fonctionnement
Ec
Tgαc = Rc= Ec / ic
Droite des inducteurs
U=Ri
αc
Er
0
ic
i
NB: caractéristiques à différentes vitesses et à excitation constante :Ev = kN
C
N
N’
B
AC/AB = N/N’
Conclusion: Ev(N’) se déduit de Ev(N) en
multipliant les ordonnés par N / N’
0
A
i
14
b) Réaction magnétique d’induit
En fonctionnement en moteur ou en génératrice reliée à un circuit extérieur les conducteurs de
l’induit sont traversés par un courant, qui créé un champ magnétique d’induit. L’influence de ce
dernier sur le champ magnétique dans la machine est appelée réaction magnétique transversale
d’induit.
Elle a pour conséquences de :
- diminuer le flux traversant l’induit et par là,
la force électromotrice induite
- décaler la ligne neutre
- provoquer des étincelles au niveau du collecteur.
Pour réduire ou annuler les effets de la réaction magnétique d’induit, un enroulement dit de
compensation est logé dans des encoches pratiquées dans les pièces polaires.
Il est traversé par le courant d’induit et créé une force magnétomotrice égale et opposée à celle
de l’induit.
Dans le cas des machines de faible puissance pour tenir compte du décalage de la ligne neutre
et éliminer les étincelles, on décale les balais d’un angle α.
c) Caractéristique en charge ou caractéristique externe U(I)
Elle se trace à excitation et vitesse constantes
U (V)
U
Graphe de la chute de
tension totale h (I)
E
Ev
E
RI
ε
D
C
h=RI+ε
h = Ev - U
RI
0
R = Sommes des résistances induit et
contact balais - collecteur
ε = Réaction magnétique d’induit .
Le graphe h ( I ) peut se déduire de U (I )
AB = RI ; BC = ε ; AC = DE = h
(Ev – U) = RI + ε
Icc = Er/r
15
A I(A)
II/ TYPES DE GENERATRICES
1°/ MODES D’EXCITATION
Suivant la façon dont est alimenté le circuit inducteur on distingue quatre types d’excitation :
1° Excitation indépendance (ou séparée) aucun point commun entre le circuit inducteur et
celui de l’induit. L’énergie électrique nécessaire à la magnétisation est fournie par une source
extérieure de tension continue.
2° Excitation dérivation (ou shunt) : Le circuit inducteur est en parallèle avec le circuit
d’induit. Le nombre de spires des bobines inductrices est élevé.
3° Excitation série : le circuit inducteur est en série avec celui de l’induit
4° Excitation composée (compound): la machine comporte un inducteur dérivation placé en
parallèle avec l’induit. Ce dernier étant en série avec l’inducteur série de la machine.
2° GENERATRICE A EXCITATION INDEPENDANTE
i
I
I
u
R
*
U
Pu=UI
= Pu/P a
pertes joule =ui +rI² = Ri² + rI²
G
Propriétés
*
Utilisations
- Faible chute tension
- Alimentation de moteurs à tensions
- tension réglable dans de larges limites très variables
et dans les deux sens
- tension proportionnelle à la vitesse
- courant d’excitation indépendante de
la charge et de la vitesse
-Inducteur moins résistant
- Contrôle facile du courant d’excitation
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3° GENERATRICE SHUNT
i
I
Ia
Ia = I+i
= Pu/P a= (Pa -p)/Pa = 1-p/Pa
Pu = UI
pertes joule = Ui + r(I+i)²
p = UnIex + rI²a +Pc
U
U
G
Rhex
Propriétés
Utilisations
-stabilité limitée (sensible à la variation de
vitesse, risque de désamorçage)
- réseau à tension constante
- Charge de batterie d’accumulateurs
- tension réglable par rhéostat de champ
- Excitation des alternateurs
4° GENERATRICE SERIE
I
G
I
U
Pu=UI
= Pu/P a=
pertes totales = pertes joule inducteur + pertes
joules induit + pertes constantes
pj = (r+r’)I²
*
Propriétés
- caractéristique très tombante
- Inutilisable à faible débit et faible vitesse
- Ne convient pas à l’alimentation de réseau à
tension constante
*
Utilisations
- projecteur poste soudage
17
5° GENERATRICE COMPOUND
a) Courte dérivation
i
b) Longue dérivation
i
I
Ia
U
U’
Ia =I+i
G
U
E
I
U
G
Courte dérivation :
Ia =I+i ; Is=I et U =E-rI a - r’I
pertes joules =(U+ r ’I)i+ rI²a + r’I²
Longue dérivation :
Ia=I+i et U =E - (r+ r’) Ia
pertes joules =Ui+ (r+r’)(I+i)²
= Pu/P a
*
Propriétés :
*
Utilisations
Flux additif
Flux additif ou hyper-compound
- caractéristique croissante
- Alimentation récepteur à tension constant ou
faiblement croissante
(accumulateurs)
flux soustractif
- courant de court- circuit peu supérieur au
courant normal
- caractéristique tombante
Flux soustractif
- Alimentation récepteurs à arcs électriques
(projecteurs, poste de soudage)
- moteur pouvant caler ( pelles électriques etc.)
18
6° CARACTERISTIQUES EN CHARGE DES GENERATRICES
%U
Hypercompound
100
Compound
90
80
Séparée
70
Shunt
Compound différentiel
0
I(A)
In
19
IV/ TYPES DE MOTEURS
1° MOTEUR SHUNT
i
Ia
I
I=Ia+i
= Pu/P a= (Pa-p)/Pa = 1-p/Pa
Pa = UI
pertes joule inducteur=Ui=Ri²
pertes joules induit =rI²a
pertes totales = Ui + rI²a +Pc
Le couple Cu=Pu/2 n
I
U
U
M
R
Rhex
Caractéristique électromécanique Ce=f(I)
Caractéristiques
Caractéristique de réglage à vide n=f(i)
Couple électromagnétique
Cem= K Ia ;c’est une droite de la forme y=ax
Si Ia constant on a n = k/ Φ ;c’est une hyperbole de
Couple utile C u =f(I=
la forme y = a / x
Cu=Pu/w= (Pem-Pc)/w =KIa –k’ = Cem – k’
n t/mn
c’est une droite de la forme y = ax - b
NB :Les droites s’infléchissent aux fortes charges
à cause de la réaction magnétique d’induit
U = constante
Ia=I0=constant
C (Nm)
nn
0
i (A)
i1
in
Pour éviter l’emballement ,il faudra choisir R hex tel
que imini soit supérieur à i1
U /(Rhex+R) ≥ imini
Caractéristique de vitesse ou électromécanique
n=f(I)
Cu
Cem
U constant
i constant
0
I (A)
I0
N = (U-rIa)/NΦ; à tension et flux constants, c’est
une droite de la forme y= - ax+b
n tr/mn
In
Utilisations
- Machines outils,
- pompes,
- ventilateurs,
- Appareils de levage
no
Propriétés
-Vitesse sensiblement constante et facile à régler
-Degré de stabilité élevé
U constant
i constant
0
I (A)
I0
In
20
2° MOTEUR SERIE
I
I
U
M
*
Rhex
= Pu/P a= (Pa-p)/Pa = 1-p/Pa
Pa = UI
pertes joule inducteur=r’I²
pertes joules induit=rI²
pertes totales = rI²+ rI²+Pc
Le couple C=Pu/2 n
Caractéristique de vitesse N =
*
NB :Le rhéostat d’excitation
comporte une butée pour limiter
le courant d’excitation a une
valeur minimale et éviter
l’emballement
Caractéristique électromécanique N
f(Ia)
= f(Ia)
n = [U-(r+r’)Ia] / NΦ = K/Ia – k’
Pour I>I1 ,il y’a saturation du circuit magnétique
Pour I faible Φ=Φ1+Φr ,la courbe est déformée
Couple électromagnétique
Zone non saturée :Cem= K Φ Ia =K’I²a;c’est une
parabole de la forme y=ax²
Zone saturée : Φ=Cte ; Cem = K Φ Ia =K’Ia ;c’est une
droite
Couple utile C u =f(I=
Elle a même allure mais située en dessous
n (t/mn)
U constant
C (Nm)
Cem
Cu
U constant
i constant
0
I(A)
I0
I1
Alimenté sous tension nominale, le moteur série
ne doit jamais fonctionner à vide
Zone non saturée
0
I0
*
Propriétés
*
- Vitesse très variable
- S’emballe à vide
- Couple de démarrage élevé
- Grande vitesse à faible charge
- Absorbe très bien les surcharges
passagères
- Couple indépendant de la tension
I1
I (A)
Utilisations
- Traction électrique
- Démarreur d’automobile
- Ventilateurs, pompes centrifuges,
compresseurs ,pompes à piston
21
3° MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE
Ce moteur n’est pas beaucoup utilisé parce qu’il nécessite deux sources
d’alimentation ;on lui préfère le moteur shunt qui a des caractéristiques semblables.
4° MOTEUR COMPOUND
Iex
Uex
X
Ia
M
I
U
I = Ia + i
= Pu/P a=
pertes joule inducteur série =r’I²
pertes joule inducteur shunt =(U-r’I)i
pertes joules induit=rI²a
U-(rIa+r’I)
n = ---------------N(Φd± Φs)
Tout comme la génératrice, le moteur compound peut être a flux additif ou a flux soustractif
Flux additif
Les caractéristiques sont intermédiaires entre celles du Moteur série et celle
du Moteur shunt. Suivant l’importance de la F.M.M. de l’enroulement série, ses
caractéristiques se rapprocheront d’avantage de celles du moteur série ( pour les fortes
charges) ou de celles du moteur shunt (à vide et à faible charge).
*
Propriétés :
- Couple de démarrage plus élève que celui du
moteur shunt et croissant très rapidement avec le courant.
- Vitesse pratiquement constante aux charges
normales et très rapidement décroissante lorsque le couple
résistant augmente.
- Ne s’emballe pas a vide ou aux faibles charges
comme le moteur série.
*
Utilisations
- Machines-outils a couple variable
ou a mouvement alternatif (étauxlimeurs, raboteuses);
- Machines démarrant en charge
(treuils, pompes à piston) ;
- Traction électrique
*
Remarques :
une génératrice à flux additif devient, quand elle est utilisée en moteur, à flux soustractif :
inversion de la F.M.M. de l’enroulement série. On y remédie :
- En croisant les connexions de l’enroulement shunt si on veut conserver le même sens
de rotation ;
- En croisant les connexions de l’enroulement shunt si on veut inverser le sens de
rotation.
Flux soustractif
Propriétés :
Inconvénients :
-Couple de démarrage croissant
- Instabilité et risque d’emballement si, par
d’abord avec le courant pour les faibles
accroissement de vitesse ,le couple moteur devient
charges, puis décroissant ;
supérieur au couple résistant ;
- Inversion possible de sens de rotation en cas de
- Vitesse variant peu avec le courant et surcharge (F.M.Msérie F.M.M.),d’où surintensité très
pouvant être maintenue constante ou croître dangereuse.
quand la charge croit.
Remarque :ce moteur n’est pas pratiquement
utilisé.
22
5° CARACTERISTIQUES DES MOTEURS
Caractéristiques électromécaniques N = f(I a)
Caractéristiques électromécaniques Cu = f(Ia)
N (t/mn) Compound additif
C (Nm)
Série
Compound additif
Shunt
Shunt
Compound différentiel
Série
Compound différentiel
0
I(A)
In
0
I0
n
Caractéristiques mécaniques C u = f(N)
I(A
)
In
n
Caractéristiques mécaniques N= f (C u)
Série
C(Nm)
N (t/mn)
Shunt
Série
Compound différentiel
Shunt
Compound additif
Cn
n
Compound différentiel
Compound additif
0
Nn
n
N(t/mn)
0
23
Cn
n
C(Nm)
VI/ DEMARRAGE D’UN MOTEUR A COURANT CONTINU
a) Problème du démarrage
De la formule E = U – rIa on tire Ia = (U – E’)/r
Or , au moment de la mise sous tension, la vitesse est nulle donc E = Nn Φ =0 ; la formule devient en
démarrage direct Idd = U/r.
La tension d’alimentation est importante alors que r a une faible valeur (r< 0,5 Ω).
L’intensité Idd = U/r est très importante et peut atteindre 10 à 20 In ;elle ne peut être acceptée ni par le
réseau ni par la machine.
SOLUTION : pour limiter cette intensité à une valeur acceptable, au moment du démarrage , on place,
on série avec l’induit , une résistance Rhd que l’on élimine au fur et à mesure que le moteur prend de
la vitesse . La pointe du courant acceptée sera Id = U/ (r + Rhd)
b) Rhéostat de démarrage (pour moteur dérivation )
Donner au moteur le maximum de flux et réduire la tension U entre les bornes de l’induit pour qu’au
démarrage le courant dans l’induit soit supportable. On accepte pendant le démarrage une diminution
du courant I et son maintien entre deux limites :
Imax = 1,5 à 2,5 In (condition limite d’échauffement)
Imini = In (condition de couple)
Ces deux conditions déterminent le nombre de plots du rhéostat
Bobine de maintien du curseur
Résistances fractionnées
reliées aux plots
L = Ligne
E = Excitation
M = Moteur
Curseur
L
E
M
La plupart des rhéostats possèdent une protection contre une coupure accidentelle du circuit
d’excitation : la Bobine de maintien est désexcitée et un ressort de rappel ramène le curseur sur le plot
mort en cas de coupure d’alimentation.
Branchement du rhéostat de démarrage
I
U
L
E
M
iex
I
a
MI
Dès la mise sous tension , il
faut obtenir le flux maximum
Curseur sur plot mort :le moteur est hors tension
Curseur sur plot E : l’inducteur est sous tension nominale (donc flux maximal) et l’induit est sous
tension réduite (R hd en série) ;le moteur démarre avec une vitesse faible et une intensité limitée
Curseur sur plot M : l’induit est sous tension nominale (Rhd = 0) et l’inducteur est sous tension
réduite (en série avec R hd donc flux minimal) ;le moteur prend de la vitesse.
24
VII / METHODE DE CALCUL D’UN RHEOSTAT DE DEMARRAGE
a) Schémas de principe
R1
U : tension d’alimentation
In :Intensité nominale
Idd: Intensité de démarrage
( passage d’un plot à l’autre)
r : résistance de l’induit
n : nombre de plots
x : nombre de portions de résistances
U K : rapport Idd / In
R2
R3
r
X3
X2
X1
b) Passage d’un plot à l’autre
1) passage au premier plot :Idd=U/R1 ;Le moteur prend de la vitesse ,sa F.C.E.M. augmente et atteint
E’1 ;son intensité diminue jusqu’à In=(U-E’)/R1 ou u-E’1=R1I n
2) passage au deuxième plot :L’intensité repasse de In à Idd=(U-E’1)/R2 ;nouvelle pointe de vitesse, sa
f .e.m. augmente encore (E’2 ) et l’intensité diminue jusqu’à In ;
3) passage au troisième plot : L’intensité repasse de In à Idd=(U-E’2)/R3 ;nouvelle pointe de vitesse, sa
f.e.m. augmente encore (E’3) et l’intensité diminue jusqu’à In ;
4) passage au dernier plot : L’intensité repasse de In à Idd=(U-E’3)/r ;nouvelle pointe de vitesse, sa
f.e.m. augmente encore (E’ n) et l’intensité diminue jusqu’à In ;
c) Relations
U-E’1= R1I n =R 2 Idd
d’où R1=R2.Idd/I n soit R1=K R2
De la même façon on peut écrire
R2=K R3
R 3=K r
d) Relations entre K et le nombre de plots n
R1=KR 2 =K. KR3= K. K.Kr=K3 .r soit
R1.= U/Idd et Idd =KI n
En égalisant K(n-1).r = U/KIn
R1= K(n-1).r
R1=U/KIn
Kn = U/r In
K= Idd/I n = (U/u)1/n
e) Calcul des portions de résistances
x1= R 3 -r =Kr-r = r (K-1)
x2= R 2 - R3= K.r(K-1)=K x1
x3= R 1 - R2= K.K.r (K-1)=K x2
x1= r (K-1)
x2=K x1
x3=K x2
25
=
VII / DETERMINATION GRAPHIQUE D’UN RHEOSTAT DE DEMARRAGE
Il s’agit de tracer les droites D d’équation E’ = f ( I )
Toutes les droites passent par U pour I = 0
Pour I = Idd ,chaque droite passe par E’ (fem déterminée par la droite précédente)
Exemple : Droite D 1 d’équation : D 1= U -R1In
I=0
D1 = U
I = Idd D1 =0
Méthode de tracé
1)
2)
3)
4)
5)
Choisir une échelle pour le courant et la tension ,tracer ∆I n et ∆Idd
Joindre Un et Idd :c’est la droite D1 de coefficient directeur –R1
Tracer la droite Dn de coefficient directeur –r :Dn = U-rI dd
Tracer ensuite les autres droites de coefficients directeurs –R4 , -R3 , -R2
Mesurer les segments et les multiplier par K pour trouver x1 ;x2 ;x3
N (t/mn) U (V)
En
∆In
∆Idd
O
Nv
r
rIn
Nn En
rIdd
-r
A
N3
-R3
x1
B
N2
E’3
-R2
E’2
R1
X2
C
N1
E’1
-R1
X3
D
Idd
In
26
VUE ECLATEE D’UNE MACHINE A COURANT CONTINU
27
RESUME DES FORMULES
FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE
TYPE
PERTES TOTALES
(p)
PUISSANCE ABSORBEE
(Pa)
SEPAREE
RI²ex+rI²a+(UvIv-rI²v)
UI+ RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v)
RENDEMENT
( )
UI/Pa
SHUNT
RI²ex+rI²a+( UvIv -rI²v)
UI+ RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v)
UI/Pa
SERIE
rI²+r’I²+ U’Iv-(r+r’)I²v
UI+ ( r+r’)I²+UIv-(r+r’)I²
UI/Pa
RI² ex +r’I²a+rI²+( UvIv -rI²v)
UI+ RI² ex +r’I²a+rI²+( UvIv -rI²v)
UI/Pa
COMPOUND
FONCTIONNEMENT EN MOTEUR
TYPE
PERTES TOTALES
(p)
PUISSANCE UTILE
(Pu)
UI- RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v)
RENDEMENT
( )
Pu/(Pu+p)
COUPLE
(Cu)
30Pu/ N
SEPAREE
RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v)
SHUNT
RI² ex +rI²a+( UvIv -r²Iv)
UI- RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v)
Pu/UI
30Pu/ N
SERIE
RI²+r’I²+ U’Iv-(r+r’)I²v
UI- ( r+r’)I²+UIv-(r+r’)I²
Pu/UI
30Pu/ N
UI- RI² ex +r’I²a+r²I+( UvIv -r²Iv)
Pu/UI
30Pu/ N
COMPOUND RI² ex +r’I²a+rI²+( UvIv -rI²v)
28