convertir l`energie machines a courant continu

Sciences de l’ingénieur
LYCEE JACQUES PREVERT
CONVERTIR L’ENERGIE
MACHINES A COURANT CONTINU
Les machines à courant continu sont réversibles.
Elles peuvent devenir génératrices ou moteur.
GENERATRICE
Energie
mécanique
CONVERTIR
L’ENERGIE
Energie
électrique
MOTEUR
Energie
électrique
CONVERTIR
L’ENERGIE
Energie
mécanique
Les machines à courant continu font partie de la famille des actionneurs (éléments
qui produisent une action).
Ceux-ci transforment une énergie mécanique en une énergie électrique créant ainsi
un courant continu ou transforment une énergie électrique en une énergie
mécanique créant un mouvement de rotation.
Les moteurs à courant continu sont employés dans les domaines de la traction, du
levage et du positionnement pour les fortes puissances.
Il est également employé, lorsqu’un système utilise une source d’énergie
autonome(pile ou batterie).
Les moteurs de faible puissance et les micromoteurs à courant continu sont souvent
utilisés dans ce cas.
Moteur forte puissance
à courant continu
Moteur faible puissance
à courant continu
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Micromoteur
à courant continu
Fabrice DESCHAMPS
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SYMBOLE
M
M
Moteur à courant
continu à aimant
permanent
Moteur à courant
continu excitation
à électroaimant
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Fonctionnement en génératrice
Le moteur à courant continu est composé de 2 parties :
- La partie fixe : l’inducteur (le stator)
- La partie tournante : l’induit (le rotor)
Si l’on considère le conducteur 1 placé sur l’induit qui tourne, ce conducteur coupe
les lignes de champ, il est alors le siège d’une force électromotrice (f.è.m) dont le
sens est donné par la règle des trois doigts de la main gauche.
Si l’on considère la spire formée par le conducteur (1) et le conducteur (2)
diamétralement opposés, les deux forces électromotrices s’ajoutent, on peut fermer
le circuit. On a réalisé un générateur de courant.
Schéma de principe
Main gauche générateur
Valeur de la f.é.m
Elle est donnée par la relation d’électrotechnique :
La force électromotrice E est la tension produite par le rotor ( l'induit ) lors de sa
rotation dans le flux magnétique produit par la partie fixe ( l'inducteur ).
Elle dépend des éléments de construction de la machine.
E=
p
NnØ
a
P : nb de paire de pôles de l'induit
N : nb de conducteurs de l'induit
a : nb de paires de voies d'enroulement
n : fréquence de rotation (t/s)
Ø : flux en Webers (Wb)
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Réversibilité
Si on fait passer un courant dans la spire, en présence du flux inducteur, une force
agit sur les conducteurs et fait tourner l’induit.
On a réalisé ainsi un moteur à courant continu. La machine à courant continu
fonctionne aussi bien en génératrice quand elle est entraînée, qu’en moteur quand
elle est alimentée en courant continu : c’est la réversibilité.
RELATIONS D’ELECTROTECHNIQUE RELATIVES AU MOTEUR
Schéma équivalent d’un moteur à courant continu
I
+
r
U
r
E
_
r xI
Induit ( Rotor)
u OU
E’
E
Inducteur ( stator )
A partir du schéma équivalent, on peut écrire :
E’= U – R I
E’ : force contre électromotrice (V)
U : tension d'alimentation d'induit (V)
R : résistance de l'induit ( Ω )
I : courant circulant dans l'induit (A)
R : résistance de l'induit ( Ω )
Loi d’Ohm
Un moteur en rotation présente une force contre-électromotrice, la loi d’Ohm
s’applique alors selon le schéma :
U = E’ + R I
Vitesse de rotation
A l’aide des relations précédentes, on peut écrire :
n=
U–RI
NØ
U = Tension du réseau en volts ( V )
R = Résistance interne en ohms ( Ω )
I = Courant absorbé en ampères ( A)
N = Nombre de conducteurs
Ø = flux inducteur en Webers ( Wb )
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Le moteur courant continu transforme l’énergie électrique apportée par le courant
continu, en énergie mécanique.
Pertes
Joules
Pertes
fer
Pertes
mécanique
s
Grandeur d’entrée
Grandeur de sortie
Puissance absorbée
(Pa)
Puissance électrique
Puissance utile (Pu)
Puissance
mécanique
Pa = U.I
P = C.ω
Pa = UI3
cos 
Pu = T
Puissance
Puissance absorbée au réseau.
C’est la totalité de la
puissance prise au
réseau
Pa = U .I
Couple moteur
C’est le couple mesuré sur l’arbre. On applique la relation de la mécanique :
P = C.ω
P = Puissance mécanique en watts (W)
C = Couple moteur en mètres Newtons (mN)
ω = Vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s)
ω = 2.π.n
n = vitesse de rotation en tr/s
Rendement
Le moteur à courant continu comme toutes les machines électromagnétiques
concède des pertes lors de son fonctionnement.
Les pertes comprennent : Les pertes joules, les pertes fer et les pertes mécaniques.
Pu
η=
Pa
Le rendement est le rapport de la
puissance utile sur la puissance
absorbée.
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Le courant est proportionnel au couple :
La constante K représente les éléments de construction du moteur.
La constante K est appelée constante de la machine.
La formule du couple devient :
C = K.Ø.I
Ø = Flux inducteur en Webers ( Wb )
I = Courant absorbé en ampères ( I )
C = Couple moteur en mètres Newtons (mN)
CONSTITUTION
Organes magnétiques
Ils servent à produire le champ magnétique et à le canaliser.
Ce sont :
- Le stator avec ses pôles inducteurs (bobinés ou à aimant permanent).
- L’induit fixé sur l’arbre, c’est la partie tournante du circuit magnétique.
Organes électriques
Ils sont le siège de la f.é.m. et assurent la liaison avec le circuit extérieur.
Ce sont :
- Les conducteurs ou faisceaux logés dans les encoches de l’induit.
- Le collecteur à lames assure la liaison entre les conducteurs tournants du rotor
et le circuit extérieur fixe. Il est en cuivre.
- Les balais pour alimenter les enroulements de l’induit, assurent un contact
glissant entre le collecteur entraîné en rotation et les conducteurs allant à la
plaque à bornes. Ils sont à base de graphite pour éviter l’usure du collecteur.
- Le bobinage inducteur pour créer le flux (moteur à inducteur bobiné).
Organes mécaniques
Ils permettent de fixer les organes magnétiques et électriques les uns par rapport aux
autres.
Ce sont :
- Le stator et l’anneau de manutention avec pattes de fixation.
- L’arbre, les roulements pour la rotation et la turbine de ventilation.
- Les flasques qui ferment le moteur à chaque extrémité et supporte l’axe ,
assurant le centrage de l’induit par rapport à l’inducteur.
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Vues éclatées d’un moteur à courant continu
Balais et portes balais
Vue sur le système de commutation et de ventilation
DIFFERENTS TYPES DE MOTEUR
On distingue deux types de moteurs à courant continu :

Les moteurs à inducteur à aimant permanent
- Il n’y a pas de circuit inducteur, le flux inducteur est produit par un
aimant permanent.
- Tous les moteurs à courant continu de faible puissance et les
micromoteurs sont des moteurs à aimant permanent.
Ils représentent maintenant la majorité des moteurs à courant
continu. Ils sont très simples d’utilisation.

Les moteurs à inducteur bobiné
TYPE DE MOTEUR
PARTICULARITES
Excitation
séparée
Le circuit inducteur est
alimenté par une
source séparée.
Excitation
dérivation
Le circuit inducteur est
alimenté en parallèle
aux bornes de l’induit.
Excitation
série
Inducteur monté en
série avec l’induit
Excitation
composée
AVANTAGE
EMPLOI
Vitesse constante
quelque soit la
charge
Utilisé sur les
dispositifs à
vitesse variable
Fort couple de
démarrage
Utilisé en traction
électrique
C’est une combinaison des deux cas précédents
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INVERSION DU SENS DE ROTATION
Pour inverser le sens de rotation d’un moteur à courant continu il suffit d’inverser la
polarité aux bornes de l’induit ou de l’inducteur (pour les moteurs à inducteur
bobiné).
AVANTAGES
Alimentation aisée dans les systèmes transportant leur réserve d’énergie
(autonome) : pile ou batterie.
La variation de fréquence de rotation est simple à réaliser.
INCONVENIENT
Les inconvénients (coût, usure) limitent généralement son utilisation aux faibles
puissances et/ou aux systèmes alimentés par pile ou batterie : automobile, jouets,
satellite …
APPLICATION 1
Sur un moteur à courant continu, on indique une puissance utile de 3 KW.
Vous mesurez au tachymètre une fréquence nominale de rotation de 2800 tr/min.
Déterminez le couple utile de ce moteur à cette vitesse.
………………………………………………………………………………………..........…………….
………………………………………………………………………………………..........…………….
APPLICATION 2
On relève aux bornes d’un moteur à courant continu une tension de 230V et un
courant absorbé de 9,5 A. Sa résistance d’induit est de 2 Ω.
Calculez sa force contre-électromotrice.
………………………………………………………………………………………..........…………….
………………………………………………………………………………………..........…………….
Calculez sa puissance absorbée.
………………………………………………………………………………………..........…………….
Sachant que le moteur tourne à 1900 tr/min et qu’il a une puissance utile de 2 KW,
calculez son couple pour cette vitesse.
………………………………………………………………………………………..........…………….
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APPLICATION 3
Les caractéristiques nominales d’un moteur à aimant permanent sont les suivantes :
PARAMETRES
Puissance utile
Tension nominale
Vitesse de rotation nominale
Rendement
Résistance de l’induit
UNITE
6W
12 V
5000 tr/min
52%
12 Ω
Calculer la valeur de la puissance absorbée par le moteur dans les conditions
nominales.
……………………………………………………………………………………………………………
Calculer la valeur du courant nominal absorbé par le moteur.
……………………………………………………………………………………………………………
Calculer la valeur de la fcem E’quand le moteur tourne à 5000 tr/min.
……………………………………………………………………………………………………………
Calculer la valeur de la pointe de courant au démarrage. (Au démarrage E = 0 V).
……………………………………………………………………………………………………………
Calculer la valeur du couple utile nominal du moteur à vitesse nominale.
……………………………………………………………………………………………………………
APPLICATION 4
On relève dans la documentation constructeur IGARASHI MOTEUR, les
caractéristiques maxi d’un moteur à courant continu dont la référence est :
F152033 – 050 – G -3
Préciser les différentes caractéristiques de ce moteur :
Caractéristiques
Valeur (efficacité max)
Tension d’alimentation
Vitesse de rotation
Couple
Courant
Puissance
Rendement
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APPLICATION 5
A partir des caractéristiques de ce moteur délivrées par les abaques constructeur,
précisez la valeur du courant, de la vitesse, de la puissance et du rendement de ce
moteur si le couple moteur est de 1,5 mN-m pendant une phase de fonctionnement.
Caractéristiques
Valeur
Vitesse de rotation
Courant
Puissance
Rendement
DOCUMENTATION MOTEUR CC
DC Motors - F152033
Dimensions (mm)
Weight: 31g (approx)
Specification
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No Load
Model No.
How to read the
model numbers
Voltage Speed Current
Max Efficiency
Speed
Torque
mN-m g-cm
Stall
Current
Output
Eff.
Torque
Current
oz-in
A
W
%
mN-m
g-cm
oz-in
A
V
RPM
A
RPM
F152033-025-G-3
1.2
8750
0.45
6900
1.66
16.9
0.23
1.72
1.20
58.3
7.84
80.0
1.11
6.45
F152033-050-G-3
1.5
5900
0.15
4750
1.10
11.2
0.16
0.61
0.55
60.1
5.64
57.5
0.80
2.50
F152033-050-6-3
2.4
8750
0.22
7000
1.86
19.0
0.26
0.91
1.37
62.6
9.31
95.0
1.32
3.68
F152033-068-G-3
2.4
6450
0.14
5200
1.60
16.3
0.23
0.56
0.87
65.0
8.23
84.0
1.17
2.30
Characteristic Curves
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