BTS ATI1 CONSTRUCTION ELECTRIQUE

Lycée G. Apollinaire MACHINES A COURANT CONTINU JPQ 2001-2002

COURS : LES MACHINES A COURANT CONTINU

Durée du cours : 2 heures

Objectifs du cours :

Acquérir les connaissances de base sur les actionneurs électriques.

Capacités :

Analyser un document technique, une solution technique (C2).

Connaissances nouvelles :Les actionneurs électriques (S871) :- Technologie succincte et utilisation des moteurs à courant continu

Prérequis :Lois fondamentales de l'électricité et de l'électromagnétisme.

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LES MACHINES A COURANT CONTINU

Les machines à courant continu sont des convertisseur d'énergie réversibles :

On utilise aujourd'hui essentiellement ces machines en moteur. La fonction générateur est utiliséependant les phases de récupération d'énergie (freinage)

1. PRINCIPE et CONSTITUTIONLes conducteurs du rotor, parcourus par le courant d'induit Ia et placés dans le champsmagnétique produit par l'inducteur, sont soumis à des force de LAPLACE formant un couple.

♦ INDUCTEUR (Stator) : Partie fixe de la machine. Il est constitués par les pôles magnétiquespermettant la création d'un FLUX MAGNETIQUE qui se referme par le circuit magnétiqueconstitué par la carcasse de la machine. Les pôles sont réalisés soit par des bobinagesparcourus par un courant d'excitation Ie, soit par des aimants permanents (Ferrites,Céramiques, Samarium - Cobalt).

♦ INDUIT (Rotor) : C'est la partie tournante de la machine. Dans les encoches sont logés desconducteurs parcourus par des courants soumis au champ magnétique ce qui engendre uneforce produisant un couple.

♦ COLLECTEUR : Formé d’un ensemble de lames de cuivre raccordées aux conducteurs durotor, isolées latéralement les unes des autres et disposées suivant un cylindre en bout derotor. Deux balais portés par le stator assurent le contact avec le collecteur.

♦ Pôles auxiliaires (ou pôles de commutation) : Améliore la commutation en supprimant laf.e.m. de commutation (suppression des étincelles entre les balais et le collecteur)

♦ Enroulement de compensation : Compense la réaction d'induit (distorsion des lignes dechamps entraînant des risque d'arc entre les lames du collecteur.

CONVERTIRL'ENERGIE

MOTEUR

Energieélectrique

Pertes

Energiemécanique

CONVERTIRL'ENERGIE

GENERATEUR

Energieélectrique

Pertes

Energiemécanique

S

N

•

X

F

Ua

Ia

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2. SYMBOLES et SCHEMA

2.1. SYMBOLES :

Excitation séparée Aimants permanents Excitation série

Utilisation standard Robotiquechamp constant élevé

Traction électriquefort couple au démarrage

2.2. SCHEMA EQUIVALENT :

3. RELATIONS FONDAMENTALES

3.1. NOTATIONS :Pm : Puissance utile sur l’arbre (en W) Φ : flux inducteur (en Webers)Tm : couple utile sur l’arbre (en N.m) E : force électromotrice (en V)Ua : tension d’induit (en V) Ue : tension d’excitation (en V)Ia : courant d’induit (en A) Ie : courant d’excitation (en A)n : fréquence de rotation (en tr.s-1 ) Ω : Vitesse angulaire (en rad.s-1 )p : Nb. de paires de pôles N : Nb de conducteurs actifs de l'induita : Nb. de paires de voies d'enroulementPem : Puissance électromagnétique Tem : Couple électromagnétique

K : coefficient de couplage électromagnétique = a

Np⋅π⋅

⋅2

Kt : coefficient de couple (N.m/A) Ke : constante électrique (V/rad/s)

1.2. RELATIONS ELECTRIQUES :

Φ⋅⋅

⋅= n

aNpE = K . Φ. Ω

Ua = E + Ra . IaEn négligeant la saturation du circuit magnétique : Φ = k Ie

1.3. RELATIONS MECANIQUES :

a.) Couple :Tem = K . Φ . Ia

b.) Puissance :

Ue

Ie

Re E

Ra Ia

Ua

L

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Pem = E . Ia = Tem . ΩPm = Tm . Ω avec Ω = 2 . π . n

c.) Vitesse :

Φ⋅⋅−=

Φ⋅=Ω

KIaRaUa

KE

1.4. FLUX CONSTANT : inducteur à aimants permanents ou courant d'excitation constant

K . Φ = Kt = Ke = Cte

E = Ke . Ω ! E est l'image de la vitesseTem = Kt . Ia ! Ia est l'image du couple

1.5. RENDEMENT :

Les pertes fer sont l'addition des pertes dues aux courants de Foucault (limitées en feuilletant lesparties ferromagnétiques soumises à un champ) et des pertes dues au phénomène d'hystérésis(limitées en utilisant des tôles en acier au silicium).

Rendement : IeUeIaUa

TmPaPm

⋅+⋅Ω⋅==η

4. MOTEUR A EXCITATION SEPAREE

4.1. VITESSE :

Φ⋅⋅−=Ω

KIaRaUa

A excitation constante et Ua constant :

En pratique la chute de tension Ra.Ia représente environ 2% pour les gros moteurs et de 5 à 10%pour les petits moteurs (pour Ua=Unominal)

Il y a deux possibilités pour agir sur la vitesse :• Action sur Ua : si Ua " # Ω " et Pem "• Action sur Φ $ # Ω " mais Tem $

ce qui est représenté sur la caractéristique suivante :

Pabsorbée Pem Pm

Pa=Ua.Ia+Ue.Ie Pem=E.Ia=Tem.Ω

Pm=Tm.Ω

Pertes Joule :Pj=Ra.Ia²+Ue.Ie

Pertes Collectives :Pc=Pfer+Pméca

Ω

Ia

Ω0

InI0

T P

P = f(Ω)

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Une diminution excessive de ΦΦΦΦ (en particulier en cas de coupure ducircuit d'excitation) entraîne un emballement du moteur.

4.2. COUPLE :Tem = Kt.Ia = K.Φ.IaLe couple est proportionnel à Ia jusqu'à environ 1,3.Tnominal

Les moteurs tolèrent en général des couples de démarrage entre 1,2 et 1,9 Tnominal

4.3. DEMARRAGE :A l'instant t0 du démarrage on a Ω = 0 ! E = Ke . Ω = 0 ! Ua = E + Ra.Ia = Ra.Ia ! Ia = Ua/RaRa = résistance de l'induit = quelques dixièmes d'ohms à quelques ohms ! Ia très élevé audémarrage.Les moteurs tolèrent en général Idémarrage entre 1,2 et 2 Ianominal

Il faut donc utiliser un dispositif de démarrage :• rhéostat de démarrage• démarreur électronique

T

Tn

In 1,2.In 2.In I