Gene Et Moteurs a c.c

8/7/2019 Gene Et Moteurs a c.c

1/22

Royaume du Maroc

OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL

Cours 11MRsum de thorie

Electrotechnique applique

Deuxime Anne

Programme de Formation des TechniciensSpcialiss en lectronique

DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION

Septembre 1996


2/22

Rsum de thorie Cours 11M

TECCART INTERNATIONAL 2000 inc.

3155, rue Hochelaga

Montral, Qubec (Canada)

H1W 1G4

RDACTION

Michel Puche

DESSINS ET CONCEPTION GRAPHIQUE

Michel Puche et Pascal Tremblay

RVISION TECHNIQUE

Pierre Asselin

RVISION LINGUISTIQUE

Franois Gaudreau

COMMISSION DE VALIDATION

Formateurs de lOFPPT

Les droits de reproduction et de diffusion de ce document sont cds par TeccartInternational 2000 inc. lOffice de la Formation Professionnelle et de la Promotion duTravail du Royaume du Maroc, pour sa propre utilisation au Maroc.

Mis part lOFPPT, toute reproduction, en tout ou en partie, par quelque procd que cesoit, est interdite.

Imprim Montral, le j February OOOO

50948592.doc/ 23 pages

Gnratrices et moteurs courant continu Page ii OFPPT/TECCART


3/22

Rsum de thorie Cours 11M

TABLE DES MATIRES

Gnratrices et moteurs courant continu Page iii OFPPT/TECCART


4/22

Gnratrices et moteurs courant continu

Loi de Faraday

En 1831, le savant Michael Faraday dcouvrait que le dplacement dun conducteur dansun champ magntique induisait une tension lectriqueEquation 3-1. On peut exprimer ainsi laloi de Faraday: la tension induite dans une bobine de conducteur est proportionnelle la vitessede variation des lignes de forces qui coupent le conducteur. La loi de Faraday scrit selonlquation suivante:

e B l v=

EQ U A T I O N 3-1

B = densit de flux, en tesla, (T); l = longueur en mtres du conducteur; v = vitesse rectiligne ou priphrique du conducteur en mtres par seconde, (m/s); e = tension induite par le conducteur.

N S

d p l a c e m e n t

+

-

F I G U R E 3-1LO I D E FA R A D A Y

Exemple 1.1 :

Les conducteurs dune gnratrice ont une longueur de 2 mtres et ils sont coups par unchamp magntique de 0,6 Tesla. Les conducteurs se dplacent une vitesse de 100 mtres parseconde. Calculez la valeur de la tension induite dans chaque conducteur.

solution :

e = Blv

e = 0,6 T 2m 100 m/s

e = 120 volts


5/22

Rgle de Flemming

La polarit de la tension induite dpend la fois du sens du dplacement du conducteuret de la direction des lignes de forces. On peut dterminer la polarit de la tension induite en se

servant dune rgle simple trouve par Flemming, appele: rgle des trois doigts de la maindroite. La rgle est la suivante: Le pouce indique le sens du dplacement. Lindex indique le sens du champ magntique. Le majeur indique la polarit de la tension induite ou le sens du courant induit.

F I G U R E 3-2 R G L E D E FL E M M I N G

On peut utiliser la mme rgle pour dcrire leffet moteur. On utilise, dans ce cas, lestrois doigts de la main gauche. La rgle est la suivante: Le pouce indique le sens du dplacement du conducteur (force mcanique). Lindex indique le sens du champ magntique. Le majeur indique le sens du courant dans le conducteur, qui est fourni par une source.

Loi de Lenz

En 1833, le savant Henrich Lenz tablissait la relation suivante : lorsquil y a induction

lectromagntique, une tension induite entretient un courant dans un circuit ferm, et le sens dece courant est tel que le champ magntique quil produit soppose au champ qui a produit cecourant.

Cette relation explique le comportement des inductances que lon retrouve dans lestansformateurs, les moteurs et les gnrateurs. Le champ caus par le courant dans le conducteurest directement proportionnel ce courant. Donc, les forces produites par ces champs oppossdpendent directement du courant dans le conducteur. On donne cette force, dans un moteurou un gnrateur, le nom deffet moteur ou de force contre-lectromotrice. Il est important deretenir que les effets moteurs et gnrateurs cohabitent dans une machine tournante, que celle-cifonctionne comme un moteur ou comme un gnrateur.


6/22

Gnrateur lmentaire

La figure 3-3 nous montre la tension gnre par une bobine se dplaant sur un axe. Latension est maximale lorsque la bobine est perpendiculaire au champ magntique et nulle

lorsque la bobine est parallle ce mme champ. Le sens du courant induit peut tre dterminpar la rgle de Flemming.

F I G U R E 3-3 G N R A T R I C E L M E N T A I R E

Gnratrice courant alternatif

Une tension dont la polarit alterne successivement dune valeur positive une valeur

ngative est appele tension alternative. Nous appelons les machines qui gnrent ces tensionsdes alternateurs ou des gnratrices courant alternatif. Dans les alternateurs de puissance,utiliss dans les centrales lectriques, ce sont les ples qui tournent, tandis que les bobines sontfixes.

Gnratrice courant continu

Pour redresser la composante alternative, on utilise un collecteur (figure 3-4). Dans saforme la plus simple, il est constitu de deux bagues isoles lune par rapport lautre. Enappliquant la rgle de Flemming, on saperoit que la polarit du balai infrieur est toujours

positive et celle du balai suprieur, toujours ngative.Le courant prlev dune gnratrice collecteur est un courant alternatif redress pleine

onde. Lajout des bobines a pour effet daugmenter le niveau moyen de la tension gnre


7/22

F I G U R E 3-4 G N R A T R I C E C O U R A N T C O N T I N U


8/22

Construction dune machine courant continu

La figure suivante nous montre une vue en coupe dune machine courant continu.

F I G U R E 3-5 M A C H I N E C O U R A N T C O N T I N U

La culasse

La culasse est lorgane qui canalise et complte le circuit du flux magntique qui va desples inducteurs linduit. La culasse est gnralement en fonte dacier, tandis que les picespolaires sont formes de tles dacier doux.

LinducteurLinducteur est la partie produisant le champ magntique dans la machine. Il estconstitu dun lectro-aimant qui engendre la force magntomotrice ncessaire la productiondu flux. Dans les machines bipolaires ( deux ples), les bobines sont portes par deux pices

polaires et le circuit magntique est complt par la culasse. Les bobines excitatrices sontalimentes en courant continu, et le courant qui les traverse porte le nom de courantdexcitation.

Linduit

Linduit constitue lensemble des conducteurs qui coupent le champ magntique. Cesconducteurs sont intercals dans les encoches dun noyau magntique, form dun assemblagede tles en fer doux. (figure 3-6)


9/22

Les conducteurs de linduit sont isols du noyau par un isolant en mica. Pour rsister laforce centrifuge, ils sont maintenus solidement en place dans les encoches, au moyen de cales enfibre. Lorsque le courant est faible, on emploie des conducteurs ronds, mais sil dpasse unecinquantaine dampres, on se sert de conducteurs rectangulaires qui permettent une meilleureutilisation du volume de lencoche.

F I G U R E 3-6 I N D U I T D U N E M A C H I N E C O U R A N T C O N T I N U


10/22

Le collecteur et les balais

Le collecteur est form de lames (segments) de cuivre isoles les unes des autres par desfeuilles de mica. Les conducteurs de linduit sont relis aux lames de cuivre. La construction ducollecteur exige un soin considrable pour viter des tincelles qui pourraient endommager le

collecteur lui-mme ainsi que les balais (ou brosses) qui frottent sur le collecteur.Les balais sont faits de carbone, ce matriau possde une bonne conductivit thermique

ainsi quun bonne conductivit lectrique. Le carbone est assez doux pour ne pas user lecollecteur. La pression des balais sur le collecteur est rgle une valeur approprie parlintermdiaire de ressorts ajustables. Si la pression est trop grande, le frottement provoque unchauffement excessif du collecteur et des balais. Si la pression est trop faible, des tincelles

peuvent se produire et endommager le collecteur.

Gnratrice courant continuOn utilise, de nos jours, de moins en moins les gnrateurs courant continu. cause de

leur construction coteuse, on leur prfre la gnratrice courant alternatif munie dun

redresseur qui, pour une mme puissance, possde un volume plus petit et ncessite moinsdentretien.

Il existe trois types de gnratrices courant continu: la gnratrice excitation shunt ; la gnratrice excitation srie; la gnratrice excitation compose(compound).

Gnratrice excitation shunt

Il existe deux modles de gnratrices excitation shunt (figure 1-7, figure 1-8): la gnratrice excitation shunt spare; la gnratrice auto-excitatrice;

E f

I f

E x c i t a t i o n s p a r e

I L

R L

Rs h

Rf

If

IL

R L

E x c i t a t io n " s h u n t "

G GEo

Eo

I

F I G U R E 3-7 E X C I T A T I O N S P A R E F I G U R E 3-8 E X C I T A T I O N S H U N T

Ef = source dexcitation spare If = courant dexcitation Eo = tension gnre Io = courant de linduit Il = courant la charge Rsh = rhostat de champ Rf = rsistance des bobines dexcitations

Gnratrice excitation spare

La gnratrice excitation spare ncessite une source indpendante qui permet devarier la tension de sortie de la gnratrice. On retrouve cette gnratrice comme source


11/22

dalimentation pour les moteurs courant continu utiliss dans les ascenseurs et les locomotiveslectriques.

Gnratrice auto-excitatrice

Lorsque les bobines dexcitation sont relies directement au balai, de faon ce que lecourant dexcitation soit fourni par linduit, la gnratrice est dite auto-excitation. Le grandavantage de ce branchement, cest quil nexige aucune source extrieure.

Pour rgler la valeur de la tension induite, il suffit de faire varier le courant dexcitationau moyen dune rsistance variable place en srie avec les bobines excitatrices.

Valeur de la tension induite

La valeur de la tension induite dune gnratrice est donne par lEquation 3-2:

Eo Z n= 60

EQ U A T I O N 3-2

Eo = tension induite, en volts; Z = nombre total de conducteurs sur linduit; n = vitesse de rotation en tours par minute(rpm); = flux par ple, en Webers (Wb); 60 = constante tenant compte des units.

Exemple 1-2 :

Linduit dune gnratrice possde 90 encoches, et chaque encoche est compose dunebobine possdant 4 spires. Si la vitesse de linduit est de 600 rpm et que le flux par ple est de0.04Wb, calculez la tension induite.

Solution :

Eo = Zn / 60

K = 90 4 = 360 conducteurs

Eo = 360 600 rpm 0.04 Wb / 60

Eo = 144 volts


12/22

Fonctionnement vide

Quand une gnratrice tourne vide, elle ne dbite aucun courant, ainsi une variation ducourant dexcitation ou de la vitesse de rotation entrane un variation de la tension induite (voirfigure 3-9). Si on augmente le courant dexcitation, le champ magntique de linducteur

augmente. Par consquent, les conducteurs coupent un plus grand nombre de lignes par secondeet la tension aux bornes de linduit augmente. Si la valeur du courant dexcitation est tropgrande, il se produit une saturation de linducteur, et la tension naugmente plus de faonlinaire.

La tension induite lorsque le courant dexcitation est nul est due au champ rmanent despices polaires. Dans le cas des gnratrices auto-excitation, il est important que le champrmanent soit dans la mme polarit que le champ magntique des ples inducteurs. Dans le cascontraire, il faut inverser la polarit des bobines inductrices.

Si on change la polarit de la tension dexcitation ou le sens de rotation de la gnratrice,la polarit de la tension induite change.

T e n s i o n

r m a n e n t e

E os a t u r a t i o n

I f

F I G U R E 3-9 T E N S I O N I N D U I T E P O U R V I T E S S E C O N S T A N T E

Fonctionnement en charge

Lorsquon applique une charge la gnratrice (voirfigure 3-10), on note que la tensionde sortie diminue quand on augmente la charge. Cette baisse de tension est attribuable larsistance de linduit. On peut mesurer cette rsistance entre les balais de la machine.

La rsistance de linduit est gnralement trs faible et elle dpend particulirement de lapuissance et de la tension de la machine.

On peut reprsenter le circuit de linduit par une rsistance Ro en srie, avec une tensionEo, cette dernire reprsente la tension induite vide par les conducteurs de linduit.

R L

R o

IG E o

F I G U R E 3-10 C I R C U I T D Q U I V A L E N C E


13/22

Exemple 1.3 :

Une gnratrice tournant 1000 rpm induit une tension de 100 volts lorsquelle est vide, et la rsistance de linduit est de 0,2 ohm. Dterminez la tension de sortie lorsquon

branche une charge qui dbite un courant de 25 ampres.

Solution:Vro = Ro I

Vro = 0.2 25A

Vro = 5 Volts

Vrl = Eo - Vro

Vrl = 100V - 5V

Vrl = 95 V

Exemple 1.4

Une gnratrice auto-excitation induit une tension de 200 volts la sortie lorsquon luibranche une charge qui demande un courant de 50 ampres. Sachant que la rsistance de linduitest de 0.15 ohm, la rsistance des bobines dexcitation, de 50 ohms et que le rhostat de champest ajust 25 ohms, calculez les valeurs suivantes:

a) If;

b) Io;

c) Pind.

Solutions:

a) If = Vrl / (Rf + Rsh)

If = 200 / 50 + 25

If = 2.6 ampres

b) Io = Irl + If

Io = 50A + 2.6A

Io = 52.6 ampres

c) Pind = Eo Io

Eo = Vrl + (Ro Io) = 200V + (0,15 52.6A) = 207.89VPind = 207.89 52.6A

Pind = 10.93 KW


14/22

Moteur courant continuLes moteurs courant continu sont des appareils qui transforment lnergie lectrique en

nergie mcanique. La construction des moteurs est identique celle des gnratrices.

Depuis lapparition des variateurs de vitesse pour les moteurs courant alternatif, on

utilise de moins en moins les moteurs courant continu. Ces variateurs nous permettent desinstallations moins coteuse pour un rendement tout aussi satisfaisant.

On retrouve trois types de moteur courant continu: le moteur excitation indpendante; le moteur excitation shunt ; le moteur excitation srie; le moteur excitation compose.

Moteur excitation spare

Le moteur excitation spare ncessite une source pour alimenter linduit et une sourcepour alimenter linducteur.

U f U

i n d u c t e u r i n d u i t

M

F I G U R E 3-11E X C I T A T I O N S P A R E

Expression de la vitesse

tant donn que linduit possde une rsistance interne, le schma de linduit de la figureprcdente peut tre remplac par le circuit quivalent suivant:

R o

E o U

F I G U R E 3-12 C I R C U I T Q U I V A L E N T D U N M O T E U R C O U R A N T C O N T I N U

U = source dalimentation; Ro = rsistance interne du linduit; Eo = force contre-lectromotrice.

Daprs la loi dOhm:

U = Eo - (Ro I)

Eo = Zn / 60 (effet gnrateur)

Eo U (la chute de tension de linduit est ngligeable)

La vitesse du moteur nous est donne par lEquation 3-3.


15/22

nU

Z=

60

EQ U A T I O N 3-3

n = vitesse du moteur (en rpm);

U = tension de linduit; = flux de linducteur; Z = constante qui tient compte du nombre de conducteurs sur linduit (valeur exacte =

/ 30)

Cette quation indique quon peut augmenter la vitesse du moteur en augmentant latension de linduit ou en diminuant le flux provenant de linducteur.

Relation entre la puissance et le couple

La puissance mcanique dpend du couple quil dveloppe et de sa vitesse de rotation.La puissance nous est donne par lEquation 3-4:

P n T = 0105.

EQ U A T I O N 3-4

P = puissance, en watts; n = vitesse de rotation, en rpm; T = couple, en Newton-mtre; 0.105 = facteur tenant compte des units, la valeur relle est /30.

Si on nglige les pertes mcaniques, on peut exprimer la puissance de sortie du moteur de lafaon suivante:

P E I o

EQ U A T I O N 3-5

En combinant les deux quations prcdentes, on obtient:

TZ I

=

2

EQ U A T I O N 3-6

Cette quation indique quon peut augmenter le couple dun moteur soit par le courantde linduit soit par le flux provenant de linducteur.


16/22

Commande puissance constante

Linducteur est aliment par une tension variable, ce qui permet au flux magntique devarier, et linduit est aliment avec une tension constante (figure 3-13).

Ce procd est utilis pour augmenter la vitesse du moteur au-del de sa vitesse

nominale (figure 3-14).

U f U


M

F I G U R E 3-13 C O M M A N D E P U I S S A N T E C O N S T A N T E

c o u p l e

If

I n

N n

T n

v i t e s s e

c h a r g e n o m i n a l e

F I G U R E 3-14 V I T E S S E ET C O U P L E E N F O N C T I O N D U C O U R A N T D E X C I T A T I O N

Commande couple constant

Linducteur est aliment par une tension constante et linduit, par une tension variable.

Cette commande permet de faire varier la vitesse du moteur de la vitesse nulle lavitesse nominale du moteur, tout en gardant un couple constant. Cest la mthode quon utilise

dans les variateurs de vitesse lectronique.

U f


M U

F I G U R E 3-15 C O M M A N D E C O U P L E C O N S T A N T


17/22

C o u p l e

V i t e s s e

C n

U n

C

U

F I G U R E 3-16 V I T E S S E E T C O U P L E E N F O N C T I O N D E L A T E N S I O N D A L I M E N T A T I O N

Moteur excitation shunt

Pour un moteur excitation shunt , une seule tension dalimentation est utilise. Unrhostat dexcitation est plac en srie, ce qui permet de varier la vitesse du moteur ( figure 3-17).

Les caractristiques dun moteur shunt sont identiques celles dun moteur excitation spare pour une commande puissance constante.

Comme dans le cas du moteur excitation spare, sil y a rupture de linducteur, lemoteur semballe. Dans les commandes lectriques de ces moteurs, on prvoit des dispositifs

pour dtecter la rupture de linducteur.

R h

I f

I

I n d u i tU

i n d u c t e u r

M

F I G U R E 3-17 E X C I T A T I O N S H U N T

Moteur excitation srie

Dans un moteur srie, linducteur est branch en srie avec linduit (figure 3-18). Dansun moteur shunt , le flux est constant et ne dpend pas de la charge. Cependant, dans unmoteur srie, le flux dpend du courant de linduit. Pour une charge importante, la vitessediminue rapidement, mais le couple saccroit. Pour une charge trs faible, la vitesse augmenterapidement. le moteur semballe lorsquil ny a aucune charge de branche.

U M

F I G U R E 3-18 E X C I T A T I O N S R I E


18/22

La figure 3-19 nous montre la vitesse et le couple dun moteur srie en fonction ducourant de linduit qui reprsent la charge.

c o u p l e

II n

N n

C n

v i t e s s e

c h a r g e n o m i n a l e

F I G U R E 3-19 V I T E S S E E T C O U P L E E N F O N C T I O N D E L A C H A R G E

On peut varier la vitesse du moteur srie en plaant une rhostat en parallle aveclinducteur, ceci nous permet daugmenter la vitesse du moteur. Si on dsire diminuer la vitessedu moteur, il suffit de placer un rhostat en srie avec linduit et linducteur.

Le moteur srie est utilis chaque fois quune charge exige un couple de dmarragepuissant ou une acclration rapide.

Le moteur srie convient particulirement bien la traction, comme dans leslocomotives et les voitures de mtro. Il est utilis aussi pour la commande dengins de levagetels les grues, les palans, etc.

Moteur excitation compose (compound)

Le moteur excitation compose est une combinaison du moteur shunt et du moteursrie (figure 3-20).

i n d u c t e u r s r i e

i n d u c t e u r

s h u n t U

+

-

M

F I G U R E 3-20 E X C I T A T I O N C O M P O S E

On retrouve deux types de moteurs compound : le moteur excitation additive; le moteur excitation diffrentielle.

Dans le cas du moteur excitation additive, les flux des deux enroulementssadditionnent. Le moteur possde alors des proprits intermdiaires entre celles dun moteursrie et celles dun moteur shunt.

Pour le moteur excitation diffrentielle, linducteur srie produit un flux de senscontraire celui de linduction shunt . Cela permet davoir une vitesse plus constante enfonction de la charge, mais si le flux de lexcitation srie devient plus important, le moteurrisque de changer de sens.


19/22

Commande des moteurs courant continu

On retrouve trois lments dans la commande de moteurs courant continu: le dmarrage; le freinage;

la variation de vitesse.

Le dmarrage

Durant la priode de dmarrage, la force contre-lectromotrice est nulle. Il en rsulte uncourant lev qui dpend uniquement de la rsistance interne.

U = Eo -(Ro I)alors si Eo = 0 au dmarrage:

Id = U / Ro

Pour permettre de limiter le courant dans linduit du moteur pendant la priode dedmarrage, il existe plusieurs mthodes:

diminuer la tension dalimentation; placer des rsistances en srie avec linduit pendant la priode de dmarrage; utiliser un variateur de vitesse lectronique.

Grce au dveloppement des semi-conducteurs de puissance, la dernire mthodementionne est de plus en plus utilise. Relativement peu dispendieuse, elle permet une

utilisation plus prcise que les deux autres mthodes.

Dmarreur pour moteur courant continu

Pour un moteur courant continu, au moment du dmarrage, le courant est limit par larsistance darmature du moteur(Equation 3-1).

IE F C E M

RAd

s=

. . .

EQ U A T I O N 3-1

Id = courant de dmarrage; Es = tension dalimentation; F.C.E.M. = force contre-lectro motrice.

Avec des circuits relais (Figure 3-21) on insre, lors du dmarrage, des rsistances quilimitent les pointes de courant. Ces rsistances sont court-circuites squentiellement jusqu ceque le courant diminue une valeur respectable.

Cette mthode de dmarrage est moins utilise de nos jours, on prfre les variateurs devitesse courant continu qui sont plus versatiles et moins encombrants.


20/22

M

K M 1

K M 1K M 1

K M 1

K M 1

K M 2

K M 2

K M 2 K M 3

K M 3

K M 3

K M 4

K M 4

K M 4

R e

R e

R 1

R 2

R 3S 2

F 2

Q 1

F 2

Q 1

S 1

F 2

F 1

Q 1

+

+

_

_

F I G U R E 3-21 D M A R R E U R P O U R M O T E U R C O U R A N T C O N T I N U

Fonctionnement:

En courant continu, les bobines des contacteurs sont alimentes sous la tension durseau. Ds la fermeture, une rsistance Re est place en srie avec la bobine du contacteur pourlimiter le courant de maintien.Trois contacts temporiss la fermeture KM1,KM2 et KM3assurent la cascade des enclenchements de KM2, KM3 et KM4.


21/22

Le freinage

On retrouve trois types de mthodes de freinage: le freinage par contre-courant (on inverse, durant la priode de freinage, le

courant de linduit); le freinage mcanique (on utilise un systme lectromcanique pour freiner le

moteur); le freinage rhostatique (le moteur fonctionne en gnratrice durant la priode de

freinage.

La variation de vitesse

La vitesse dun moteur nous est donne par la relation suivante:

nU

Z=

60

EQ U A T I O N 3-2

On peut changer la vitesse dun moteur courant continu des faons suivantes: en variant le flux de linducteur; en variant la tension de linduit; en combinant les deux mthodes prcdentes.

Tableau comparatif

Le tableau 1.1 de la page suivante nous donne les caractristiques ainsi que les domainesdemploi des moteurs courant continu.

TA B L E A U 1-1: CO M P A R A I S O N D E S M O T E U R S C O U R A N T C O N T I N U

Types de moteurs Caractristiques Applications

Moteur srie Couple lev au dmarrage; Vitesse qui varie en fonction de

la charge.

Traction (train mtro); Engin de levage (ponts roulants,

grues). Moteur shunt Vitesse constante peu importe la

charge.

Machine outils;

Ascenseurs; Convoyeurs. Moteur compound Couple qui varie avec la vitesse;

Couple intressant bassevitesse.

Machines de laminoir; Ventilateurs; Pompes.


22/22

Documents

Gene Et Moteurs a c.c