Cours Machine A Courant Continu

intervention de l'électronique de puissance qui a permis de profiter pleinement des possibilités de ces moteurs. Les dispositifs devenus usuels que sont, d'une part les redresseurs commandés à thyristors et d'autre part, les hacheurs, sont en mesure de fournir ces tensions variables à partir, respectivement, du secteur alternatif ou d'une source de tension continue non réglable. Mais les moteurs à courant continu sont coûteux; à puissance égale, le prix d'un moteur à courant continu est plus de deux fois celui d'un moteur asynchrone de même puissance.

Aussi, si l'on met à part les usages spécifiques (jouets, automobile...) imposés par des considérations particulières (sécurité, autonomie, nature de l'alimentation disponible), ce n'est que lorsque l’on a un besoin impérieux de réaliser un entraînement à vitesse très largement variable qu'il faut utiliser un moteur à courant continu.

• Le domaine d’utilisation privilégié des moteurs à courant continu est celui de la traction électrique (traction automobile, chariots élévateurs, traction ferroviaire). Ce sont alors des moteurs « série ». On emploie aussi les moteurs à courant continu dans les asservissements, de vitesses très performantes. En effet, pour asservir à une grandeur de commande, même constante, la vitesse d'un moteur dont la charge varie, il faut pouvoir agir sur cette vitesse de manière à être capable de rattraper les écarts entre la grandeur de consigne et la vitesse effective.

Ainsi, les platines de chaînes Hi-Fi de haute qualité sont équipées de moteurs à courant continu alors que de simples moteurs asynchrones monophasés équipent les tourne-disques ordinaires. Dans le domaine domestique, signalons encore que certaines machines à laver de haut de gamme, pour lesquelles sont prévues des vitesses de lavage différentes et des essorages plus ou moins énergiques, possèdent des moteurs à courant continu alimentés sous tension variable.

1.1 Conversion d’énergie

1.2 Symbole

ou

1.3 Constitution

Une machine électrique à courant continu est constituée :

• D'un stator qui est à l'origine de la circulation d'un flux magnétique longitudinal fixe créé soit par des enroulements statoriques (bobinage) soit par des aimants permanents. Il est aussi appelé « inducteur » en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.

• D'un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité dans chaque enroulement rotorique au moins une fois par tour de façon à faire circuler un flux magnétique transversal en quadrature avec le flux statorique. Les enroulements rotoriques sont aussi appelés enroulements d'induits, ou communément « induit » en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.

Circuit magnétique d’un moteur bipolaire Circuit magnétique d’un moteur tétrapolaire.

1.4 La f.e.m aux bornes de l'induit d'une mcc

Principe (http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/dcmotor/index.html)

Considérons une spire placée dans un champ magnétique uniforme. Si on tourne la spire, disons, dans le sens horaire, on pourra mesurer une f.e.m aux extraversions de la spire comme le prédit le théorème de Faraday.

La f.e.m e est donnée par la relation

e = -Ns d(/dt

Plaçons la spire dans les deux encoches d'un rotor. On dira que chaque encoche contient un conducteur. Si on désigne N le nombre de conducteurs, alors

e = - N/2 d(/dt

Supposons que le flux ( embrassé par la spire est sinusoïdal, alors

( = (max Sin (t

e = -N/2 d((max Sin (t )/dt

= -N/2 d((max Sin (t )/dt

= - (N/2) (max ( Cos (t

La machine considérée ci-dessus est bipolaire, le stator consiste en deux pôles.

Pour une machine avec p paires de pôles le flux embrassé par les spires pour un tour autour du stator devient ( = (max Sin p(t. ( Pour une machine bipolaire lorsque la spire parcours un tour complet, elle voit un pôle sud et un pôle Nord. Sur un tour le flux décrit un sinus. Pour p paires de pôles la spire voit p sinus sur un tour complet. )

Pour une machine 2p polaire

e = - (N/2) (max p( Cos p(t

Au lieu d'une seule spire le stator a plusieurs spires formant une bobine.

Au lieu d'une seule bobine la machine peut avoir d'autres bobines branchées en parallèle. On parle alors d'enroulements. Augmenter le nombre d'enroulements n'a aucune influence sur la f.e.m, il augmente cependant le courant.

Pour une machine avec a paires de voies d'enroulements, le nombre de conducteurs actif par voie est

Ns = (N/2)/(2a)

← Ns = N/4a

← e = - (N/4a) (max p( Cos p(t

← e = - ¼ (p/a) N (max (2(n) Cos p(t

1.5 Rôle du collecteur

La f.é.m. e de la machine, égale à VB1 - VB2 ( tensions aux balais ), est égale à es lorsque le balai Bl frotte sur la lame C et le balai B2 sur la lame A, et à - es dans le cas contraire (en effet, lorsque la machine ne débite pas, VC - VA = es ).

Si les balais sont disposés dans un plan passant par l'axe des pôles le balai B1 reste en contact avec la lame C tant que ( est compris entre 0 et ( (pendant ce temps, bien entendu, B2 frotte sur la lame A).

Pour ( compris entre ( et 2( , en revanche, Bl frotte sur A et B2 sur C.

0 < ( < (: e = es > 0

( < ( < 2(: e = - es > 0

soit à tout instant e = (es (

L'ensemble balais-collecteur assure une fonction de redressement.

A cette machine élémentaire correspond le schéma équivalent de la figure ci-dessous. La f.é.m. obtenue entre Bl et B2 admet une valeur moyenne E :

e = ( es ( = ( - ¼ (p/a) N (max (2(n) Cos p(t (

E = e ( valeur moyenne de e )

= ¼ (p/a) N (max (2(n) x 2/(

= (p/a) N n (max

E = (p/a) N n (

Finalement:

E = Kn( avec K = p/a N

Si de plus la machine fonctionne à flux constants

E = K' n avec K' = K( (quel est l’unité de k et k’ ?)

1.6 Puissance électromagnétique et Couple électromagnétique

Si l’induit présente une f.é.m. E et s’il est parcouru par le courant I, il reçoit une puissance électromagnétique Pem = E.I

D’après le principe de conservation de l’énergie cette puissance est égale à la puissance développée par le couple électromagnétique Tem.

Pem = Tem ( = EI

Remarque : on retrouve la relation Tem = K(I

En effet E = K(( donc E I = K(( I = Tem ( d' où Tem = K(I

1.7 Réversibilité

1.8 Caractéristiques

Conditions expérimentales :

1.8.1 Caractéristique à vide Ev =f(() à ( constante

• De O à A, la caractéristique est linéaire, E=K’( (avec K’= K().

• De A à B le matériau ferromagnétique dont est constitué le moteur commence à saturer. (µr n’est plus constant).

• Après B, le matériau est saturé, le f.é.m. n’augmente plus.

• La zone utile de fonctionnement de la machine se situe au voisinage du point A.

Sous le point A, la machine est sous utilisée, et après le point B les possibilités de la machine n’augmentent plus (mais les pertes augmentent puisque Ie