Les machines à courant continu by malj

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									                                        Les machines à courant continu


La machine à courant continu a 2 modes de fonctionnement possibles :

               -   soit en moteur : L'énergie                est transformée en énergie

               -   soit en génératrice : l'énergie                     est transformée en énergie

1. Description                 LIGNE NEUTRE




La MCC est composée d'une partie fixe appelée STATOR ( partie fixe ), d'une partie mobile appelée ROTOR et
d'un COLLECTEUR à l'avant du rotor sur lequel viennent frotter deux BALAIS à l'aide de porte-balais




                                                                                              Page 1
  1.1. Le stator
               Le stator crée le champ magnétique; c'est l'inducteur. Ce champ magnétique est :

                    -   soit crée par un aimant permanent ( moteur de faibles puissances ). La machine est dite
                                                    si elle comporte un pôle N et un pôle S ; et est dite multipolaire si
                        elle comporte p pôles N et p pôles S
                    -   soit crée par des bobines parcourues par des courants ( électro-aimants )

  A quelles condition le flux crée par le stator est –il constant ?

          -



          -




                        Photo d’un stator bobiné



  1.2 Le rotor : induit
          C’est la partie mobile du moteur. Il est constitué de plusieurs enroulements répartis pour former un cylindre.
          Le rotor comporte à la périphérie des encoches dans lesquelles vont venir se loger les conducteurs. On relie
          2 conducteurs diamétralement opposés pour former une spire.




Rotor moteur courant continu                                      Autre rotor
( utilisé en TP )

                                                                                                      Page 2
              Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre disposé suivant un cylindre en bout de rotor. Les
              balais, portés par le stator frottent sur les lames du collecteur.




Collecteur : les lames de cuivre sont isolées les unes des autres                                 +



      Remarque : Les balais sont en carbone et s'usent donc. C'est un des inconvénients de la MCC



      Les balais frottent sur le collecteur. Les balais sont fixes et sont solidaires du stator




                                                                                                      Page 3
           D’autre part, parcouru par un courant variable et soumis à un champ magnétique, le rotor va être
           soumis à des pertes par hystérésis. Plus la surface du cycle est importante, plus



           Le rotor va donc être constitué à partie d

       D'autre part, à chaque rotation du rotor, le flux est coupé. D'après Lenz, un courant induit, par ses effets va
       s'opposer à la cause qui lui a donné naissance, c'est à dire qu'un courant induit va apparaître dans le rotor de
       manière à freiner le rotor ( ce système de freinage est utilisé sur les camions et sur les bus : on parle de
       ralentisseur ). Ce courant induit va entraîner un échauffement : ce sont les pertes par courants de
       FOUCAULT



       Comment limiter ces pertes ?




           Plus généralement, on regroupe sous le terme pertes       FER l’ensemble des pertes par hystérésis et
           Foucault

1.3. Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu



              Expérience : Prenons un cadre mobile constitué d’une seule spire et parcouru par un courant.
           Plaçons le dans un champ magnétique. Il sera alors soumis à une force de LAPLACE

                                F=

           Position 1                                                      Représenter le vecteur champ
                                                                            magnétique entre les pôles de
                                                                            l’aimant
                                        C
                                                B
                                                                           Représenter alors la force
                                                                                  
                                                                                  sur   chaque longueur de la
                                                                                  F
                                                                               spire. En déduire le sens de
                                                          N
                                                                               rotation de la spire
                                                                                                   Page 4
                   D       A

                           I
                                                   C
Position 2 ( passage de la ligne neutre )

                                                   B


                                                                  N
                                  D




                                  A




  Si on admet que grâce à l’inertie la spire a franchi la ligne neutre, le circuit électrique devient alors :



                                               B
          Position 3                                    C




                                                                  N


                          A           D

                              I

  Flécher alors les vecteurs force sur chaque longueur. Que se passe t-il ?



   Que faudrait-il faire pour remédier au problème ?



  Animation : http://www.edumedia-sciences.com/fr/a182-machine-a-courant-continu

  Examinons l’extrémité du rotor : il possède un dispositif permettant l’inversion du courant tous les ½
  tours : c’est le collecteur. Les balais sont immobiles et frottent sur le collecteur. Ils permettent donc
  d’assurer la liaison entre la partie tournante et la partie fixe




                                                                                                         Page 5
                        C                                                                 B
                                   B                                                                  C




D                                                          A
     A                                                                  D

     I
                                                                        I

    Dans chacune des 2 positions ci dessus, flécher l’intensité sur la spire ABCD puis en déduire le sens et la direction
    de  qui s’applique sur les longueurs AB et CD
        F




    1.4 Force électromotrice

            - A l’aide de vos connaissances sur le ferromagnétisme, représenter le vecteur champ magnétique
            en différents points de l’entrefer ( espace compris entre le rotor et le stator )




                   Nord
                                                                                              Sud




            - Représentons B en fonction de l’angle  en prenons comme convention une valeur positive si le
            champ est dirigé vers le centre du rotor



                    B




                                                                         




                                                                                                      Page 6
    B est variable selon l'angle  : B est maximal suivant l'axe des pôles et est nul sur la direction
    perpendiculaire ( appelée ligne neutre )

    Que va t-il se passer aux bornes d’une spire si B varie ?




                 u




                                                                       




    Influence des balais sur l’allure de la tension induite

    Prenons le cas simplifié à une seule spire :



                  0<<                                                         <  < 2
                                                                                                          A
                                             B



                                                                                                              u
                                   u
                        I                                           D

             C                         A                                                                  B




D                                                                      C



                                                                   e
      e


    0<  <  : loi des mailles :

     <  < 2  : loi des mailles :




                                                                                                 Page 7
Traçons la tension e ( tension induite aux bornes des balais ) en fonction de l’angle  :




L'ensemble collecteur-balai assure donc une fonction de



Que va t-il se passer si nous disposons de 2 spires espacées entre elles de 90 ° ?




Observons à l’oscilloscope ces deux tensions ( 10 V / carreau pour chacune des 2 voies ) :




                       u2                     u1




       0                                             180 °                                        360 °




Traçons grâce au logiciel la somme de ces deux tensions en respectant les échelles et le 0 :




                                                                                               Page 8
 0
                                               180 °




On constate que plus le nombre de spires augmente, plus

        -
        -



Que se passerait-il si on disposait de 4 spires disposées entre elles de 45° ?



Cas de la machine réelle

                                                                                               N
        Une machine réelle comporte un très grand ( N ) nombre de conducteurs qui forme          spires. Afin de
                                                                                               2
        limiter l'intensité, les N conducteurs sont répartis en 2a voies d'enroulement ( chemin pour aller
        d’un balai à l’autre ). De plus, étant donné le nombre important N, il n'est plus possible de relier uniquement
        des conducteurs diamétralement opposés :


     Balai A
                                                                                              2 a voies
        I                                                                     Balai B         d'enroulement
                                                     e
                            I / 2a

                                                                  p
        On aura donc une f.e.m E pratiquement constante E =           n.N.
                                                                  a

                -    p : nombre de paires de pôles
                -    a : nombre de paires de voies d'enroulement
                -    n : vitesse en tr/s
                -    N : nombre de conducteurs
                -     : flux sous un pôle ( Wb )

                                                                                                   Page 9
Rque : pour une machine donnée, p, a et N sont constants

        On a alors E = K.. avec  = 2.n

        Conséquences :

                   Si le flux est constant ( soit MCC à aimants permanents, soit i   constant ) on a :
                -   E1 = K 1

                -   E2 = K 2



                   Si i = constant on peut poser  = ai donc on a E = K.a.i. soit E = K'i.n



    E
                     i = i2 > i1
                                   i = i1



                                   n
        Application : l'inducteur d'une MCC est tétrapolaire. L'induit comporte 360 conducteurs actifs. Le flux utile
        par pôle est  = 10 mWb et il est supposé constant. On donne E = 216 V si n = 1800 tr / mn

                1. Quel est le nombre de voies d'enroulement ?




                2. Quelle sera la tension de la f.e.m si n = 1500 tr/ mn ?




1.5 Expression du couple électromagnétique :
        La puissance de la machine est P E = E.I = TE . ( voir chapitre révision )

TE =



donc   TE =




                                                                                                Page 10
        2. Etude du moteur et de la génératrice
                              2.1 Modèles électriques du moteur et de la génératrice
        L’inducteur est constitué soit d’un                           , soit d’une

        Une bobine réelle présente une résistance interne r. On a donc le modèle électrique équivalent :

                         L         r               Rappeler l’expression de l’impédance ZL

                                                   En continu, que vaudra Z L ?

                Bobine réelle


        En continu, que vaudra alors Zeq de la bobine réelle ?




        Sachant que le but d’une génératrice est de fournir de la puissance électrique ( donc absorbe de la
        puissance mécanique ), flécher la flèche intensité de la génératrice

        Sachant que le but d’un moteur est de fournir de la puissance mécanique ( donc absorbe de la puissance
        électrique ), flécher la flèche intensité du moteur




    i                                      I                             i                   I
                     r            R                                                      R
                                                                             r
u                                                    U            u                                    U



        GENERATRICE                                                   MOTEUR
    fournit puissance électrique et                            fournit puissance
    absorbe de la puissance                                    mécanique et absorbe de
    mécanique                                                  la puissance électrique



        U=                                                            U=
                              2.2 Etude à vide de charge de la génératrice :
        Pour la génératrice, examinons la courbe EG = f ( iG ) à n = constant
        La génératrice est entraînée par un moteur


                         iG                         I=0 A
                                                               U = EG
                 u                         G                   car
                                                                                                 Page 11
 On constate alors que cette courbe est la courbe d'aimantation du matériau ferromagnétique : la machine est donc
affectée par un phénomène d'hystérésis



       2.3. Réglage de la vitesse
                        2.3.1. Etude de n = f ( U ) à i = constant et I = constant = I 0
       A partir de l’équation du moteur, exprimer n en fonction de U,R,I0,K et  . En déduire l’allure de n = f ( U )




                                                     UD
                Remarque : à l'arrêt E = 0V et R =
                                                      I



       Tracer l’allure de cette droite




       Application On donne R = 2 , I0 = 1 A, UN = 200 V et E = 0,125.n ( n en tr/mn )

       1. Donner l’équation de n = f ( U )




       2. Tracer cette droite en précisant la tension de démarrage UD et nN




                                                                                               Page 12
        2.3.2. Etude de n = f ( i ) à U = constant et I = constant = I 0

         A partir de l’équation du moteur, exprimer n en fonction de U,R,I0,K et a ( on posera  = a.i ). En déduire
l’allure de n = f ( i )




        équation type y =

        Tracer l’allure de la courbe




        Conséquence : si on coupe l'inducteur avant l'induit ( i = 0 A ) on a




       Pour la mise en route du moteur, que se passe t-il maintenant si on alimente l’induit U ( on prendra
par exemple U = 110 V , R = 1  ) puis l’inducteur ?




        Pour la mise en route des moteurs, on alimente d’abord
        puis


        Pour arrêter un moteur, on coupe d’abord
        puis




                2.4 Réversibilité de la machine
Une génératrice fournit de l'énergie électrique donc on aura un fonctionnement

                     en génératrice si

                     un fonctionnement en moteur si
                                                                                                 Page 13
                       I                       Etape 1 : K1 fermé, K2 ouvert : la machine tourne à vide.
           K1                                  I>0, U>0 . E.I > 0 donc moteur. Si on ouvre K1, le
                                               moteur ralentit dû aux frottements
U                      V
                             MCC
                                               Etape 2 : K1 fermé puis on ouvre K1 et on ferme K2 :
             L                                 l'ampoule s'éclaire et le moteur ralentit fortement. On a
                                               E>0 et I<0 donc


        Plus l'intensité délivrée par la génératrice est importante, plus le freinage sera important. Plutôt que de
dissiper l'énergie à travers des ampoules ou des résistances, l'idée est de restituer l'énergie au réseau qui a alimenté
le moteur ( à l'aide de pont tout thyristors ) : on parle alors de



                 2.5. Bilan de puissances et rendement

1 cas : bilan de puissance sur le moteur


 PA =UI
                                                                                                      Pu
                            PA total                               PE = EI
                                                  UI


       Pa = ui = ri²                      PJS = ui                             P méca =       PFER =P HYS + PFOUC
                                                             PJR = RI²         frottement


Rque : Parfois, on parle du rendement de l'induit au lieu du rendement du moteur
                                 PA  pertes
                 =    PU    =
                       PA            PA


Pour simplifier, on pourra noter P méca + Pfer = PFM

                            moteur =




                            induit =




Remarque : détermination expérimentale des PFM : on fait un essai à vide donc P U = 0 W et I  0 A donc
on a :




                                                                                                           Page 14
2°   cas : génératrice

PU = UI                                       UI
                                         UI  RI ²  PFM  ui




         2.6. Fonctionnement en régime permanent et point de fonctionnement

         Etude de la caractéristique mécanique TU = f ( n ) à U = cst et  = cst
On a donc TU = TE - TP =:




équation type y =




                                                                TR
                                                                                                    Levage, broyage
       TU                                                            Fraisage, perçage   Agitateur, pompe
                         U2> U1                                                                     Ventilateur, centrifugeuse




                                                        n                                                        n


         Un moteur entraîne une charge qui possède un couple résistant T R.



                    Le point d'intersection est le point de fonctionnement : la vitesse est

                    Si TU > TR : le moteur

                    Si TU < TR :le moteur




                                                                                                          Page 15

								
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