06-moteur à courant continu

8/12/2019 06-moteur à courant continu

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Chapitre : Moteur courant continu Partie 6.2 du programme officiel

I- Principe

1/ Convertisseur d’énergieLa machine courant continu est un convertisseur rotatif d’énergie. !lle est réversi"le et poss#de deu$ modes de

fonctionnement.%onctionnement moteur & conversion d’énergie électri'ue en énergie mécani'ue.

%onctionnement génératrice & conversion d’énergie mécani'ue en énergie électri'ue.!$périence & on alimente le moteur et couplé un autre (dans un sens puis l’autre)

2/ *escription

La machine courant continu est constituée d’un stator stati'ue+ l’inducteur et d’un rotor rotatif + l’induit.Le stator est un aimant ou électroaimant et le rotor un "o"inage.

L’induit (rotor) est parcouru par un courant continu I (gr,ce sst#me collecteur/"alais le reliant l’e$térieur) assurant ainsi un couple de forces (loi de Laplace).

II- !tude de l’induit1/ itesse vide

ne tension proportionnelle la vitesse est induite au rotor.

! 0 Ω !0’n

La vitesse est commandée par la tension.Commande de la vitesse du moteur & on fait varier la tension moenne du moteur gr,ce un hacheur.

3emar'ues & unités tr/s vers tr/min+ fré'uence de rotation notée n.

2/ 4oment du couple mécani'ue 5ui on charge mécani'uement le moteur+ on o"serve 'ue l’intensité augmente.

L’intensité est commandée par la charge.!n négligeant les pertes magnéti'ues & 5u0I

!$périence & faire varier le couple mécani'ue du moteur en chargeant la génératrice avec desrésistances. achant 'ue le couple est proportionnel la conductance. 5racer l’allure de 5u(I).

e$emple & 067’/2π

Point de fonctionnement & 5u05r

8/ 4od#le é'uivalentLe "o"inage de l’induit a une résistance 3.L’induit est donc é'uivalent électri'uement un mod#le de 5hévenin ci-contre.

0!93I3emar'ues & il faut tenir compte de L si I n’est pas continue.

en génératrice+ 0!−3I

!$emple & détermination de la vitesse et fré'uence sachant 'ue 017+ I02: et 3 mesurée.

;/ <ilan de puissance de l’induit

puissance a"sor"ée & Pa0I pertes =oules & P=03I>

puissance électromagnéti'ue & Pem0Pa-P=0Pem0!I05emΩ d’o? & 5em0I

puissance utile & Pu0Pem-Pfm05uΩ

pertes totales0Pa@Pu rendement0Pu/Pa (η Ata)

!$emple & calculer tous les éléments man'uants sachant 'ue 012+ I01+B:+ 302Ω+ pfm08+ n012777tr/min

!

3 I

induit (rotor)

Ieer

e$citation(stator)

5u(D.m)

n(tr/min)

et

Ie cst

4 eIe

I

E eIeI

Pa Pem Pu

P=i

P=e Pm

Pf

5u(D.m)

I(:)

et

Ie cst



Exercices sur la machine à courant continuRemarque & les valeurs indi'uées sur la pla'ue signaléti'ue sont les valeurs nominales et la puissance utile.Exercice 1 : extrait sujet bac 1999

Fn utilise un moteur aimants permanents+ donc e$citation indépendante. Le flu$ Φ est constant.

! est la force électromotrice ( f . é . m ) de la machine courant continu.

3 est la résistance de lG induit. 3 0 1+BΩ .

1 *essiner le mod#le de 5hévenin de l’induit. !$primer la tension dGalimentation du moteur en fonction de !+ 3 et I.2 Huelle est la valeur de ! lors du démarrage du moteur

Justifier votre réponse.

8 Pour un courant dGinduit I 0 2 :+ calculer la valeur minimum de la tension nécessaire pour faire démarrer le moteur.

Exercice 2 : machine à courant continu utilisée dans un robot alimenté par une batterie.

Fn rel#ve sur la pla'ue signaléti'ue du moteur les indications suivantes &

- Induit & 7+2Ω 27 17 : 167 1 777 tr/min

- Inducteur aimants permanents.

1/ *essiner le mod#le é'uivalent de l’induit du moteur avec les grandeurs et les fl#ches.2/ Fn appelle ! la force électromotrice du moteur et n sa vitesse de rotation e$primée en tr/min. 4ontrer 'ue lGon peut écrire

!0.n o? est un coefficient constant.8/ Pour le fonctionnement nominal+ calculer &

a) la force électromotrice & en déduire la valeur du coefficient en précisant son unité

") la puissance reKue par le moteur+ Pa

c) le rendement du moteur+ η

d) les pertes par effet =oule+ P= e) lGensem"le des pertes du moteur et en déduire la somme des pertes dans le fer et des pertes mécani'ues notée Pc f) la puissance électromagnéti'ue

g) le moment du couple électromagnéti'ue sachant 'ue la puissance électromagnéti'ue est Pem0!I.;/ Le moment du couple électromagnéti'ue diminue de moitié et la vitesse passe 1177tr/min & calculer la valeur de la force

électromotrice induite et l’intensité de l’induit.B/ Er,ce la caractéristi'ue mécani'ue ci-contre+ donner la fré'uence de

rotation vide (c’est--dire lors'ue 5u07).6/ ne charge constante crée un moment de couple résistant sur l’ar"re du

moteur de 1D.m.

a) 5racer ce moment de couple résistant 5r sur le rep#re de lacaractéristi'ue ci-contre.

") !n déduire le point de fonctionnement.

/ La tension est divisée par deu$. 5racer la nouvelle caractéristi'ue.

Exercice 3

1/ %onctionnement en moteur & essai au nominal

La pla'ue signaléti'ue indi'ue les valeurs nominales suivantes & 0277 I0M+2: Pu01B77 n01B77tr/min 301+MΩ

Calculer &

a) la puissance a"sor"ée par l’induit Pa+

") le rendement de l’induit η+

c) la fém induite !+d) la puissance électromagnéti'ue Pem+

e) le moment du couple utile 5u.2/ !ssais vide

La fré'uence de rotation est n701677 tr/mina) L’essai vide 0277 et flu$ constant donne une fré'uence de rotation de 1677tr/min. 5racer ci-contre la caractéristi'ue

mécani'ue 5u(n) ") Calculer !7 cette vitesse.

Exercice 4 : extrait sujet de bac 21

Fn utilise un moteur courant continu aimants permanents.

Fn donne & 3 401Ω+ résistance de l’induit du moteur.

402;+ tension nominale d’induit.I402:+ intensité nominale du courant d’induit.

n0B7 tr/min+ vitesse nominale de rotation du rotor.!4 & force électromotrice (f.é.m) du moteur.

Pour les 'uestions suivantes+ le moteur fonctionne en régime nominal.

1/ *onner le schéma électri'ue é'uivalent de l’induit du moteur.2/ Calculer la f.é.m !4.8/ Calculer la puissance P = dissipée par effet Joule au niveau de l’induit.

;/ Calculer la puissance utile P fournie par le moteur+ sachant 'ue les pertes totales Pt incluant les pertes par effet Joules’él#vent N.

7

5u(D.m)

n(tr/min)12771777



B/ Calculer le rendement ηdu moteur.



Exercices avec corrigés sur le Moteur à courant continu

(sources & su=ets de "ac et O 5op !$os cheQ <roché)

Exercice !



"orrection exercice !

1+28B .s/tr



Exercice #



"orrection exercice #



Evaluation Moteur à courant continu

$uestions

1/ Huel est le principe de la machine courant continu

2/ %aire le schéma é'uivalent électri'ue de l’induit.

8/ F? se situe l’induit dans la machine

;/ Hue commande la tension

B/ Hue commande la charge

6/ Comment faire varier la vitesse d’un moteur courant continu partir d’une tension d’alimentation

fi$e ('uel dispositif ra=outer )



Exercice : moteur à courant continu à aimants permanents

Caractéristi'ue de l’induit & 02; I0B: 301+BΩ

1/ Calculer la tension de démarrage d.

2/ Calculer la puissance a"sor"ée Pa par l’induit.

8/ Calculer les pertes par effet Joule P =.

;/ Calculer la force électromotrice (tension induite) !. !n déduire 'ue la puissance électromagnéti'ue P em

est égale N2+B.

B/ Fn néglige les pertes fer et mécani'ues & calculer le rendement.

6/ achant 'ue 5em07+268D.m+ déterminer la vitesse de rotation du moteur.

/ *éduire de la 'uestion précédente+ le coefficient de proportionnalité entre ! et la vitesse de rotation. La

fré'uence de rotation passe alors 1777 tr/min+ avec une charge identi'ue+ déterminer la tension

d’alimentation.



Correction évaluation Moteur à courant continu

$uestions

1/ Huel est le principe de la machine courant continu

La machine courant continu est un convertisseur rotatif d’énergie. !lle est réversi"le et poss#de deu$

modes de fonctionnement (moteur ou génératrice).

2/ %aire le schéma é'uivalent électri'ue de l’induit.

8/ F? se situe l’induit dans la machine

L’induit se situe au rotor.

Complément &

La machine courant continu est constituée d’un stator stati'ue+ l’inducteur et d’un rotor rotatif + l’induit.

Le stator est un aimant ou électroaimant et le rotor un "o"inage.

L’induit (rotor) est parcouru par un courant continu I (gr,ce sst#me collecteur/"alais

le reliant l’e$térieur) assurant ainsi un couple de forces (loi de Laplace).

;/ Hue commande la tension

La tension commande la vitesse.

La tension induite est proportionnelle la vitesse de rotation flu$ constant.

B/ Hue commande la charge

La charge commande l’intensité.

L’intensité est proportionnelle au couple électromagnéti'ue flu$ constant.

6/ Comment faire varier la vitesse d’un moteur courant continu partir d’une tension d’alimentation

fi$e ('uel dispositif ra=outer )

Il suffit d’a=outer un hacheur série 'ui permet d’o"tenir une tension moenne régla"le en a=ustant le

rapport ccli'ue de la commande de l’interrupteur.

!

3 I

induit (rotor)



Exercice : moteur à courant continu à aimants permanents

Caractéristi'ue de l’induit & 02; I0B: 301+BΩ

1/ Calculer la tension de démarrage d.

:u démarrage !d07 car !0R ΦΩ donc ! est proportionnelle la vitesse de rotation Ω (le flu$ magnéti'ue

est constant car le stator comporte des aimants permanents).

*’apr#s le mod#le é'uivalent de l’induit 0!93I ⇒ d0!d93I ⇒ d03I0+B.

Il faut donc démarrer sous tension réduite pour ne pas avoir un courant trop fort.

2/ Calculer la puissance a"sor"ée Pa par l’induit.

Pa0I0127

8/ Calculer les pertes par effet Joule P =.

P =03I>08+B

;/ Calculer la force électromotrice (tension induite) !. !n déduire 'ue la puissance électromagnéti'ue P em

est égale N2+B.

0!93I ⇒ !0−3I016+B

⇒ Pem0!I0N2+B

B/ Fn néglige les pertes fer et mécani'ues & calculer le rendement.

η0Pu/Pa

or Pu0Pem car pertes fer et méca07

η0Pem/Pa06MS

6/ achant 'ue 5em07+268D.m+ déterminer la vitesse de rotation du moteur.

Pem

05emΩ

⇒

Ω

0 Pem

/5em

081; rad/s⇒

n0Ω×

022M6 tr/min

/ *éduire de la 'uestion précédente+ le coefficient de proportionnalité entre ! et la vitesse de rotation. La

fré'uence de rotation passe alors 1777 tr/min+ avec une charge identi'ue+ déterminer la tension

d’alimentation.

!0 Ω car !0R ΦΩ avec R et Φ constants

0!/Ω07+7B26 .s/rad

Ω’0n’×2π/67017B rad/s ⇒ !’0 Ω’0B+B1⇒ ’0!’93I018

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