Ch 7 Moteur à courant continu

1. Principe et constitution d’un moteur à courant continu ( MCC )

1.1 Principe

Une machine à courant continu peut fonctionner en:

• moteur; elle reçoit de l’énergie électrique;

• génératrice par apparition d’une f.é.m. induite aux bornes d’un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique.

C’est un convertisseur d’énergie réversible.

Moteur

Génératrice

1.2 Constitution; f.é.m.

Un moteur est constitué de :

Énergie électrique Énergie mécanique

• un stator ou un inducteur;

• un rotor ou un induit.

Le rotor est séparé du stator par un entrefer. L’ensemble {stator,entrefer,rotor }

constitue le circuit magnétique.

Les bobines enroulées autour du noyau du stator et parcourues par un courant ie

sont la source de champ magnétique inducteur.

Le rotor contient des conducteurs logés dans des encoches. Lorsque ces conducteurs

sont parcourus par un courant et qu’ils sont placés dans le champ magnétique produit par l’inducteur, il existe une force de Laplace ( F = BIlsinα) qui fait tourner le rotor .

Les conducteurs du rotor sont alors le siège d’une f.é.m. induite e alternative dont le sens est indiqué par la loi de LENZ.

2. Modèle électrique de l’induit en régime permanent

Modèle de l’induit

I

R

E U

Le moteur reçoit une puissance électrique : UI

Il apparaît une f.é.m. induite aux bornes de l’induit qui tourne dans le champ magnétique de l’inducteur.

On montre que :

E ( en V ) est proportionnel à Φ et à Ω.

Φ ( en Wb ) : flux utile sous chaque pôle inducteur.

Ω ( en rad/s ) : vitesse de rotation de l’induit ( donc du moteur ).

K ( en V.Wb-1.rad-1.s ) : c’est une constante caractéristique du moteur.

R ( en Ω ) : résistance de l’induit que l’on mesure à chaud. Elle a souvent une valeur

faible. Exercice 1 ( 1.1 et 1.2 )

E = KΦΩ

3. Couple électromagnétique

Puissance électromagnétique de la machine :

Pem = EI Pem ( en W ) ; E ( en V ) ; I ( en A ).

Le moment du couple électromagnétique Tem représente la somme de tous les moments des couples des forces de Laplace.

La puissance électromagnétique est développée par le couple Tem tournant à la vitesse Ω.

TemΩ = EI Tem =

Comme E = KΦΩ

Tem ( en N.m ) ; I ( en A ) ; Φ( en Wb ).

Ex 1 ( 1.3 ) ; Ex2

EI

Tem = KΦI

4. Moteur à excitation indépendante

Il existe plusieurs types d’excitations. On travaillera avec une excitation indépendante:

la bobine d’excitation est sur l’inducteur et indépendant de l’induit.

Une variante : l’excitation est fournie par un aimant permanent: le flux Φ est constant.

4.1 Modèle du moteur et vitesse de rotation

ie ( ou J ) I

R

U

ue ( ou V ) r E

INDUCTEUR INDUIT

E = KΦΩ U = KΦΩ + RI

ue = r ie U = E + RI

K

RI - U

4.2 Caractéristique de vitesse

Ω On travaille à :

Ω0 U = UN = cte; UN : tension nominale du moteur.

Φ = ΦN = cte ( cela veut dire que ie = cte ).

0 I0 I ( en A )

Rq : I dépend de la charge ( charge importante, I important ).

A vide, on a un courant I0 << IN ; on a donc RI0 << U et Ω0 =

On a en définitive :

Ω augmente fortement lorsque Φ ( donc ie ) diminue: On ne doit pas annuler le flux

inducteur d’un moteur en marche.

K

U

Ω = Ω0 - K

RI

4.3 Valeurs nominales

Ce sont des valeurs de fonctionnement normal d’un moteur.

Exemple d’un moteur :

Ue = 220 V; ie = 0,5 A; UN = 240 V; IN = 20 A ; n = 1500 tr/min ( soit Ω = 157 rad/s)

TUN = 25 N.m ; K = 70 V.Wb-1.rad-1.s ; R = 1,0 Ω ( température de fonctionnement );

Iv ( ou I0 ) = 2,0 A; flux maximal utile sous un pôle : ΦN = 20 mWb.

4.4 Couple moteur. Caractéristique mécanique

Les pertes magnétiques et mécaniques : Pc ; Pc ( en W )

Le couple des pertes magnétiques et mécaniques : Tc et Tc =

Tc est constant si Pc est proportionnel à Ω.

Pc

Couple utile : Tu =

Couple électromagnétique : Tem =

La caractéristique mécanique donne la variation de Tu ( ou de Tem ) en fonction de Ω.

Tu, Tem

( N.m ) Tu est une fonction décroissante de Ω.

U = cte.

Tp

0 Ω0 Ω ( en rad/s )

Si l’on change la valeur de la tension U, la caractéristique se déplace parallèlement à

elle-même.

Pu

Pem

Tu = KΦI - Tp

4.5 Point de fonctionnement

Ω

Tu = Tr

Tr : moment du couple résistant de la charge.

On trace sur le graphique Tu (Ω ) et Tr (Ω ). Le point de fonctionnement, c’est le point

d’intersection de Tu (Ω ) et Tr (Ω ).

Exemple : Ω (en rad/s ) 90 94,2 98,4 104,7 110

Tu ( en N.m ) 28,4 27,8 27,4 26,6 26,2

Caractéristique mécanique d’un moteur.

Si aux bornes de ce moteur, on place une charge de moment de couple résistant constant

Tr = 26,8 N.m, on aura Tu = Tr = 26,8 N.m et Ω = 102,6rad/s.

Moteur Charge

5. Bilan énergétique et rendement

5.1 Bilan énergétique

Puissance absorbée ( ou consommée ou reçue ) : Pa

Pa = UI + ue ie

Pertes : • Pji = R I2 : Pertes Joule dans l’induit ( Pji en Watt )

• Pje = ue ie = r ie2 : Pertes Joule dans l’inducteur ( Pje en W )

• Pm : pertes mécaniques.

• Pf : pertes magnétiques

P0 =Pc = Pv = UvIv = Pm + Pf ( Puissance mesurée lorsque le moteur

fonctionne à vide sous la tension Uv =UN ).

Puissance électromagnétique : Pem

Puissance utile : Pu

Pem = EI = Tem Ω

Pu = Tu Ω

Pji Pm

Pje Pf

Pem = Pa - Pj Pj = Pji + Pje ( induit + inducteur )

Pu = Pem - ( Pm + Pf ) Pc = Pm + Pf : Pc pertes collectives

5.2 Rendement

Le rendement est maximal lorsque le moteur fonctionne dans les conditions indiquées sur la plaque signalétique c-à-d les conditions nominales.

On mesure le rendement par la méthode indirecte des pertes séparées.

Pa Pem = EI Pu = TuΩ

η = Pu

Pa