FORMATION CONTINUE – TECHNICIENS SUPERIEURS – INGENIEURS

ELECTROTECHNICIENS

MACHINES A COURANT CONTINU

Cours préparé par Bapio BAYALA

Edition 2010

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SOMMAIRE

ORGANISATION DE LA MACHINE A COURANT CONTINU

I/ GENERALITES

1. ROLE

2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

3. PARTIES PRINCIPALES

II/ DESCRIPTION

1. INDUCTEUR

2. INDUIT

3. INCONVENIENTS

III/ BILAN DES PUISSANCES

1. FONCTIONNEMENT MOTEUR / GENERATRICE

2. DESCRIPTION DES PERTES

IV/ RENDEMENT

1. MESURES

2. RENDEMENT EN GENERATRICE

3. RENDEMENT EN MOTEUR

CARACTERISTIQUES DES MACHINES A COURANT CONTINU

I/ GENERALITES

1. CARACTERISTIQUES USUELLES

2. CARACTERISTIQUES PARTICULIERES

3. CAS DE LA GENERATRICE DERIVATION

II/ TYPES DE GENERATRICES

1. MODES D’EXCITATION

2. GENERATRICE A EXCITATION INDEPENDANTE

3. GENERATRICE A EXCITATION SHUNT

4. GENERATRICE A EXCITATION SERIE

5. GENERATRICE A EXCITATION COMPOSEE

III/ TYPES DE MOTEURS

1. MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE

2. MOTEUR A EXCITATION SHUNT

3. MOTEUR A EXCITATION SERIE

4. MOTEUR A EXCITATION COMPOSEE

IV/ DEMARRAGE DES MOTEURS

1. PROBLEMES DE DEMARRAGE

2. CALCUL DU RHEOSTAT DE DEMARRAGE

3. DETERMINATION GRAPHIQUE DU RHEOSTAT DE DEMARRAGE

2

I/ GENERALITES

1° ROLE ET UTILISATION

Faibles puissances :industrie automobile

(essuie-glace, lève-vitre, démarreur etc.)

Moyennes puissances :engin de levage

(treuils, grues etc.)

Grandes puissances : traction électrique (train)

ORGANISATION DE LA MACHINE A COURANT CONTINU (MOTEUR ET GENERATRICE)

MACHINE A COURANT CONTINU

REVERSIBILITE

La machine à courant continu est réversible : elle

peut fonctionner en moteur ou en génératrice

SENS DE ROTATION

Pour inverser le sens de rotation d’un moteur à C.C. ,

on change le sens du courant soit dans l’induit, soit

dans l’inducteur seulement

REGLAGE DE LA VITESSE

La vitesse d’un moteur varie en sens inverse du flux inducteur.

Lorsque la résistance du Rhex augmente, la vitesse croit

Lorsque la résistance du Rhex dimunie , le moteur ralenti

COURANT DE DEMARRAGE

Au démarrage, E=0V, d’où Id=U/r très élevée

Emploi d’un rhéostat de démarrage pour limiter le courant

Id=U/(Rd+r) :la pointe de courant est la même à vide qu’en charge

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Un conducteur parcouru par un courant I et placé

dans une induction B reçoit sur chaque élément de

longueur dl un effort dF = Idl ٨ B (effort de Laplace).

2° PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

a) Moteur

Force électromagnétique : F=BIl

Le sens est donné par les trois doigts de la main droite :

Pousse sens du champ magnétique B

Index sens de la force électromagnétique F

Majeur sens du courant I

b) Génératrice

(loi de Faraday ou loi de l’induction électromagnétique) e = B.l.v

La règle des trois doigts de la main gauche (action d’un champ sur un courant ) permet de déterminer

le sens du courant et les polarités de la FEM induite

Pousse sens du champ B ; Index sens du déplacement V ;Majeur sens du courant induit ILa

machine à courant continu est bâtie sur ces deux principes.

L’induction est créée par des pôles magnétiques bobinés et alimentés en courant continu ou par des

aimants permanents: c’est l’inducteur.

Les conducteurs sont répartis régulièrement sur un cylindre soumis à une induction radiale: c’est

l’induit. Son axe est monté sur un arbre qui est guidé en rotation.

Les courants dans l’induit changent de sens de part et d’autre de la ligne neutre de telle sorte qu’ils

produisent des efforts qui contribuent dans le même sens au couple électromagnétique.

Le collecteur est un commutateur mécanique qui inverse le sens du courant dans les conducteurs qui

franchissent la ligne neutre.

Si le conducteur placé dans l’induction B

se translate à une vitesse linéaire v il

apparaît une force électromotrice e aux

bornes de celui-ci :

e v

B

F

B

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c) Modèle équivalent de l’induit en fonctionnement moteur

r : Résistance interne du moteur caractérisant la résistance du bobinage de l'induit.

L : Inductance interne du moteur caractérisant l'inductance du bobinage de l'induit.

NB : En régime permanent le courant qui circule dans le moteur est constant donc la chute de

tension aux bornes de l'inductance interne du moteur est nulle. LdI/dt = 0 donc U = E + rI

d) Puissance électromagnétique d’un moteur

Travail fournit par un conducteur de long l sur une distance d .

W= Fd = Bild avec ld = S , W = BIS ; avec BS = Φ alors W= ΦI

Expression de la puissance électromagnétique d’une machine bipolaire

En un tour un conducteur coupe 2Φ soit ΔΦ =2 Φ

D’où le travail fourni en un tour est W= 2Φ I/2 = ΦI ; Pour N conducteurs actifs W =N ΦI

Puissance électrique Pem = W/t avec t = 1/n (temps mis pour faire un tour)

Pem = NΦI = n NΦI Pem = n NΦI

1/n

Par comparaison avec l’expression générale Pw = UvIA d’où n NΦ est en volt

C’est la f.c.e.m E’ = n NΦ d’où P = E’ I

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2p p E’= ---- n NΦ = --- n NΦ 2a a

E’ = U-rI

a n = ------ x E' = K . E’ = K (U - rIa) pN Φ Φ Φ

e) Expression générale de la F.E.M d’une machine multipolaire

Avec une machine à 2p pôles la FEM induite dans un conducteur est e = 2pnΦ ;dans le cas général

des enroulements séries parallèles avec un nombre de voies d’enroulements 2a il y’a N/2a conducteurs

en série ; Si nous appelons :

a : paires de voies d’enroulement

p : paires de pôles

r :résistance d’induit

U :tension aux bornes de l’induit

I : courant dans l’induit

f) Expression du couple électromagnétique

Par rapport au bilan de puissance sur l’induit: P = U.I = R.I2 + Cem. = R.I2 +

E.I ;Donc:

Cem = E.I / = (p/a).N.I. /2 ; Cem = k’. . I si le flux est constant, alors Cem = K . I

g) Expression de la vitesse

Le flux Φ étant fonction du courant d’excitation Iex

* Si Φ augmente alors n diminue

* Si Φ diminue alors n augmente

* Si Φ tend vers 0 alors le moteur s’emballe

Il ne faut jamais couper le courant d’excitation d’un moteur si l’induit est sous tension

h) Réglage de la vitesse

Par action sur la tension d’induit

Grâce à l’électronique de puissance, on peut obtenir une grande plage de variation de vitesse et une

souplesse de réglage ;par ailleurs l’emploi du rhéostat de démarrage n’est pas nécessaire ;on distingue

plusieurs procédés :

Auto-transformateur et redressement non commandé

Redressement commandé ( pont tout thyristors ou pont mixte)

Tension continue réglable par hacheur

Machine bipolaire à une paire de voies d’enroulement

2a=2 et 2p=2

Machine tétra polaire à deux paires de voies d’enroulement

2a=4 et 2p = 4

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Par action sur le courant inducteur

On insère dans le circuit d’excitation un rhéostat de champ permettant de varier le courant d’excitation

i) Inversion du sens de rotation

Il suffit d’inverser le sens du courant dans l’inducteur ou dans l’induit ;en commande automatique on

peut utiliser des contacteurs ou des thyristors

K1 K2

M

K3 K4

3° CONSTITUTION

La machine se décompose en deux parties principales :

- l’une , fixe, appelée inducteur (ou stator) est un électroaimant ;

- l’autre, mobile, appelée induit (ou rotor ) est l’armature tournante du précédent.

Le circuit magnétique d’une machine à courant continu est constitué :

- du circuit magnétique de l’inducteur

- du circuit magnétique de l’induit

- de l’entrefer qui est la partie du circuit magnétique

constituée par l’air.

Remarque : Afin de renforcer le champ magnétique dans l’entrefer, les deux premières parties sont

réalisées dans un matériau ferromagnétique.

Le circuit électrique comprend :

- l’enroulement d’inducteur

- l’enroulement d’induit

- l’enroulement de compensation

- l’enroulement des pôles auxiliaires.

K1 et K4 fermés :marche avant

K2 et K3 fermés : marche arrière

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II/ DESCRIPTION

1° L’INDUCTEUR

Son rôle est de créer le champ magnétique inducteur dans la machine. Il est constitué par :

a) Une culasse (ou bâti) en fonte ou en acier coulé : C’est la carcasse de la machine, elle

supporte toutes les parties fixes et aux extrémités les deux paliers dans lesquels tourne l’induit. Elle

ferme le circuit magnétique de la machine.

b) Pôles principaux

Ils sont le plus souvent, pour des raisons économiques, formés de tôles épaisses de 1,5 mm découpées

puis assemblées.

Les noyaux polaires en acier coulé sont vissés à la culasse. Ils sont en nombre pair, et servent de

support aux bobines inductrices.

La présence d’encoches destinées à l’enroulement compensateur .Les trous servent à l’assemblage.

Parfois le noyau polaire est en acier doux plein et l’épanouissement polaire , ou pièce polaire

est feuilleté pour réduire les pertes par courants de Foucault .

Les épanouissements polaires sont destinés à augmenter la section de passage du flux de l’inducteur à

l’induit.

c) Les bobines inductrices sont placées autour des pôles. Leurs ampères-tours

produisent le flux. Ces bobines sont en série et bobinées de façon que l’un des épanouissements

polaires soit un pôle Nord et l’autre Sud .

La disposition des bobines est telle que, lorsqu’elles sont alimentées par un courant continu,

l’inducteur forme un électroaimant comportant un nombre paire de pôles, successivement Nord, Sud.

d) les pôles auxiliaires ou pôles de commutation . Ce sont des pièces polaires étroites en

série avec l’induit destinés à réduire les étincelles aux balais. Le champ produit une fem de valeur

égale et de sens contraire à la fem de commutation (self induction) due à l’inversion du courant. Dans

une machine leur nombre est égal à celui des noyaux polaires.

MACHINE TETRAPOLAIRE

4 POLES PRINCIPAUX

4 POLES AUXILLIAIRES

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2° L’INDUIT

a) Rôle :il est le siège d’une f.e.m induite et est soumis à l’action d’un couple

électromagnétique.

Il tourne dans un champ magnétique fixe, il sera donc le siège de pertes par hystérésis et par

courants de Foucault. Ces derniers interdiraient pratiquement la rotation d’un cylindre plein. L’induit

est donc feuilleté. Les tôles de 0,2 mm d’épaisseur qui le constituent sont découpées à la presse,

isolées les unes des autres par une mince pellicule de vernis et assemblées. Pour réduite les pertes par

hystérésis ces tôles sont en acier au silicium. L’ensemble des pertes dans le fer y est de l’ordre de 2,5

watts par kilogramme pour une induction de 1,4 T et une fréquence de 50 Hz.

b) Encoches :Sur la périphérie de l’induit on a découpé des encoches dans lesquelles

viendront se loger les conducteurs de l’induit.

Le morceau de tôle restant entre deux encoches s’appelle une dent

c) Entrefers : Le diamètre extérieur de l’induit est à peine inférieur au diamètre intérieur de

l’inducteur : quelques millimètres seulement qui constituent les entrefers ;

d) Distribution du flux

1° Le flux sort du pôle N, s’épanouit un peu dans l’entrefer, traverse l’induit et entre dans le

pôle S. Il retourne au pôle N par les deux demi-culasses. Le flux dans la culasse est donc égal à la

moitié du flux sous un pôle.

La perpendiculaire à l’axe des pôles est appelée ligne neutre (In).

2° Dans l’entrefer ,les épanouissements polaires ne sont pas tout à fait concentriques à

l’induit, l’entrefer est plus large sous les cornes polaires les lignes de force y sont moins serrées et

l’induction décroît quand on va de l’axe des pôles vers les extrémités. Elle est nulle sur la ligne neutre.

3° Papillotement des lignes de force – Lors du défilé alterné des dents et des encoches les

lignes de force, qui ont tendance à se concentrer dans les dents, se déplacent autour d’une position

moyenne, c’est le papillotement .L’épanouissement polaire est donc le siège de courants de Foucault,

c’est pourquoi il est quelquefois feuilleté.

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e) Bobinage

1° Chaque fil pris isolément s’appelle un conducteur, deux conducteurs forment une spire, les

spires sont groupées par section et les sections par bobine avant la mise en place dans les encoches.

Les fils sont isolés au vernis.

2° Disposition d’une section sur le rotor : Les deux moitiés se trouvent dans des encoches

presque diamétralement opposées. Les fils de sortie de la section sont soudés à deux lames de

collecteur voisines .

3° Frettage – Lors de la rotation les fils sortiraient des encoches à cause de l’inertie centrifuge.

Il est nécessaire de placer autour des têtes de bobines du rotor des frettes en fil ou en ruban d’acier

pour maintenir les conducteurs .

4° Collecteur : Placé à l’extrémité de l’induit et calé sur le même arbre ,il est formé de lames

de cuivre isolées entre elles par du mica. A l’arrière de la lame se trouve une ailette, usinée ou

rapportée, dans laquelle sont soudées l’entrée d’une section et la sortie d’une autre. Il y a donc autant

de lames que de sections.

5° Balais : Fixés sur l’inducteur par l’intermédiaire de porte-balais , ils sont en carbone et

frottent sur le collecteur grâce à des ressorts .Puisque le collecteur tourne, le contact avec les balais est

glissant et la densité de courant admise est relativement faible : 10 A /cm2 environ .

Les balais sont placés sur l’axe des pôles principaux. Il y a autant de balais que de pôles.

Bobinage Balais

Collecteur

Ressorts

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Puissance

mécanique

CmΩ

Puissance

électromagnétique

CemΩ = EI

3° LES INCONVENIENTS

Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou charbons et le collecteur

rotatif.

Plus la vitesse de rotation est élevée, plus les balais doivent appuyer fort pour rester en contact

et plus le frottement est important.

Aux vitesses élevées les charbons doivent être remplacés très régulièrement.

Le contact électrique imparfait cause des arcs électriques, usant rapidement le commutateur et

générant des parasites dans le circuit d'alimentation.

Pour des fonctionnements en moteur de petite puissance ce problème peut être résolu grâce à la

technologie du moteur à courant continu sans balai communément appelé moteur

brushless : un dispositif d'électronique de puissance remplace l'ensemble balai - collecteur:

La position du rotor est détectée par des capteurs à effet Hall et le courant est commuté par des

transistors à effet de champ

III/ BILAN DES PUISSANCES

1° FONCTIONNEMENT EN MOTEUR ET GENERATRICE

a) Moteur

b) Génératrice

Pertes

mécaniques

Pertes Fer

Pertes joule induit

rI²

Puissance utile

UI

Inducteur

uexiex Pertes joule inducteur

Ri² ou ui

Pertes joule

inducteur

uexiex

Excitation

séparée

Pj induit

Pji = rI²

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2° DESCRIPTION DES PERTES

1° Pertes dans le fer

Elles sont dues aux phénomènes d’hystérésis et de courants de Foucault dans la masse du

circuit ferromagnétique de l’induit. Elles sont fonction du champ magnétique et de la vitesse de

rotation. On les appelle aussi pertes magnétiques.

a) Pertes par hystérésis. – Elles sont proportionnelles à la vitesse et à peu près

proportionnelles au carré de l’induction : Ph = K1nB2

b) Pertes par courants de Foucault. – Elles sont proportionnelles au carré de la vitesse et de

l’induction : PF = K2n2B2

.

Lorsque le flux est à peu près indépendant de I (indépendant ou shunt), l’ensemble de ces pertes l’est

aussi. Il n’en est pas de même s’il y a un inducteur série.

2° Pertes mécaniques

a) Origine. – Elles sont produites par la ventilation et les divers frottements ( frottements de l’arbre

dans les paliers, frottements des balais sur le collecteur).

Ces pertes sont à peu près indépendantes de la charge, donc de I ; par contre elles dépendent de la

vitesse. Elles sont donc les mêmes à vide qu’en charge sauf pour le moteur série dont la vitesse varie

beaucoup.

b) Si la vitesse n’est pas trop élevée on peut admettre la proportionnalité Pm = kn, sinon il faut tenir

compte d’un terme du second degré : Pm = kn + k’n2.

3° Pertes constantes La somme des pertes dans le fer et des pertes mécaniques est appelée pertes collectives ou pertes

constantes.

Pc = Pm + Ph +Pf ; c’est donc le total des pertes mécaniques et magnétiques. Par « constantes » on

entend qu’elles sont indépendantes de I, mais l’on qu’elles varient avec la vitesse et l’excitation (flux).

4° Pertes par effet joule dans l’induit

elles s’écrivent RIa2 (éventuellement RI’

2 ). Pratiquement négligeables à vide elles varient fortement

avec la charge. Elles sont toujours calculables.

Son expression dépend de la résistance R du circuit induit et du courant I qui traverse ce dernier.

PjI = R I2

5° Pertes par effet joule dans l’inducteur

Elles s’expriment toujours par la formule RI2 avec des variantes dans la notation suivant le mode

d’excitation. La résistance du rhéostat d’excitation doit être incluse. Ces pertes sont toujours

calculables. Si la machine est à excitation constante (G et M indépendants, M shunt) elles sont

constantes, sinon elles varient avec la charge.

Noter que les pertes existent à vide.

U ex , tension aux bornes du circuit inducteur

P j ex = RI2 = U exI ex I ex , courant dans l’inducteur

Remarque :La résistance des enroulements varie en fonction de la température, l’influence de

cette dernière est traduite par la formule.

R = Ro(1 + aθ)

Ro, résistance à la température de 0°C

a, coefficient de température

θ, température en degré Celsius

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IV/ RENDEMENT

1° Mesures du rendement

a) Formule de base. – C’est toujours η = Pu /Pa l’expression détaillée variant avec la machine et son

mode d’excitation.

b) Méthode de mesures

–Indirecte ou méthode dite des pertes séparées: c’est la plus économique et la plus

précise, c’est la seule utilisable pour les très grosses machines.

– Directes . – Elles sont nombreuses :moteur taré ;dynamo-frein etc.

1° Rendement en génératrice

Rendement vrai : ηG =UI/(Pm+ui)

Rendement approché : ηG = UI / [UI + (pj+pm+pf)+ui]

2° Rendement en moteur

Rendement vrai : ηM = Pm/ (UI+ui)

Rendement approché : ηM= UI -(pj+pm+pf) / (UI +ui)

3° Essai en moteur à vide

a) Expression des pertes constantes

Pm+pf+rI0² = U0I0 ou Pm+pf = U0I0 - rI0²

Pertes totales = Pm+pf+pj=U0I0 - rI0² + rIa² = U0I0 + r(I²a - rI²0) Pm+pf+pj = U0I0 + r(I²a - rI²0)

b) Machine à excitation indépendante

c) Machine shunt Poser Ua = Uex

d) Moteur série

UaIa- [U0I0 + r(I²a - rI²0)]

ηM = -----------------------------------------------

UaIa + UexIex

UaIa

ηG = ------------------------------------------------------------

UaIa + UexIex+ [U0I0 + r(I²a - rI²0)]

CuΩ

ηM = ----------------- avec Iex = Ia et U =rsIa +rIa+Ec

UaIa

M,r U0 u

i I

I0

Pour mesurer les pertes fer et mécaniques pour un fonctionnement normal

donné (Nt/mn ;U(V))on doit alimenter la machine sous une tension Uo

Fonctionnement en moteur : U0 - rI0 = Un - rIa

Fonctionnement en génératrice : U0 - rI0 = Un + rIa

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CARACTERITIQUES DES MACHINES A COURANT CONTINU

I/ GENERALITES

1° CARACTERISTIQUE USUELLES

Le fonctionnement des machines est régie par quatre variables :

- La vitesse N - Le Courant d’excitation Iex ou iex ou J

- La Tension aux bornes U - Le Courant dans l’induit I

On obtient ainsi ,en fonctionnement génératrice, trois familles de courbes tracées à vitesse constante :

1 ) Caractéristique externe ou à excitation constante U(I) avec N,J constants

2 ) Caractéristiques à tension constante ou courbes de réglage I (iex) avec N,U

constants Elle sert à déterminer les rhéostats d’excitation et les régulateurs de tension.

3) Caractéristique à courant contant U(iex) avec I et N constants

2° CARACTERISTIQUE PARTICULIERE

Caractéristique à vide ou caractéristique interne E(iex) à I=O et N contant.

C’est une courbe de magnétisation et elle est affectée d’hystérésis ;elle traduit graphiquement la relation qui existe entre la FMM et le courant d’excitation pour une vitesse

donnée et maintenue constante ;La caractéristique à vide est donnée par la courbe moyenne. Son allure donne une idée de la qualité de construction de la machine. Elle permet aussi de déterminer le point de fonctionnement qui en principe se trouve dans la zone

saturée. Elle est tracée à excitation séparée .

E(V) E(V)

Er Er Iex (A) 0 Iex(A)

Valeurs croissantes de Iex

Valeurs décroissantes de Iex

Courbe moyenne

Zone saturée Zone non

saturée

I=0

N constant

Début saturation

Fin saturation

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3° CAS DE LA GENERATRICE DERIVATION

a) Caractéristique à vide

Rh

Ev

Ec

Er αc

0 ic i

NB: caractéristiques à différentes vitesses et à excitation constante :Ev = kN

C N N’

B

A

0 i

On peut insérer un rhéostat de résistance Rh dans le circuit inducteur

si Rh augmente la droite pivote en se rapprochant de l’axe Ev ; pour une

valeur Rhc la droite devient tangente à E( i ) .

Ec/ic =R+ Rhc =Rc Rc= Résistance critique d’amorçage

NB : La résistance du circuit inducteur doit être < Rc

G

Ev

Iex I

Droite des inducteurs

U=Ri

Point de fonctionnement

U=(R + Rh)i

Tgαc = Rc= Ec / ic

AC/AB = N/N’

Conclusion: Ev(N’) se déduit de Ev(N) en

multipliant les ordonnés par N / N’

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b) Réaction magnétique d’induit

En fonctionnement en moteur ou en génératrice reliée à un circuit extérieur les conducteurs de

l’induit sont traversés par un courant, qui créé un champ magnétique d’induit. L’influence de ce

dernier sur le champ magnétique dans la machine est appelée réaction magnétique transversale

d’induit.

Pour réduire ou annuler les effets de la réaction magnétique d’induit, un enroulement dit de

compensation est logé dans des encoches pratiquées dans les pièces polaires.

Il est traversé par le courant d’induit et créé une force magnétomotrice égale et opposée à celle

de l’induit.

Dans le cas des machines de faible puissance pour tenir compte du décalage de la ligne neutre

et éliminer les étincelles, on décale les balais d’un angle α.

c) Caractéristique en charge ou caractéristique externe U(I)

Elle se trace à excitation et vitesse constantes

U (V) U

E

Ev E

RI

ε D

C h(I)

B R I

0 A I(A)

h = R I + ε h = Ev - U

Elle a pour conséquences de :

- diminuer le flux traversant l’induit et par là,

la force électromotrice induite

- décaler la ligne neutre

- provoquer des étincelles au niveau du collecteur.

R = Sommes des résistances induit et contact balais - collecteur ε = Réaction magnétique d’induit . Le graphe h ( I ) peut se déduire de U (I ) AB = RI ; BC = ε ; AC = DE = h (Ev – U) = RI + ε

Graphe de la chute de

tension totale h (I)

Icc = Er/r

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II/ TYPES DE GENERATRICES

1°/ MODES D’EXCITATION

Suivant la façon dont est alimenté le circuit inducteur on distingue quatre types d’excitation :

1° Excitation indépendance (ou séparée) aucun point commun entre le circuit inducteur et

celui de l’induit. L’énergie électrique nécessaire à la magnétisation est fournie par une source

extérieure de tension continue.

2° Excitation dérivation (ou shunt) : Le circuit inducteur est en parallèle avec le circuit

d’induit. Le nombre de spires des bobines inductrices est élevé.

3° Excitation série : le circuit inducteur est en série avec celui de l’induit

4° Excitation composée (compound): la machine comporte un inducteur dérivation placé en

parallèle avec l’induit. Ce dernier étant en série avec l’inducteur série de la machine.

2° GENERATRICE A EXCITATION INDEPENDANTE

R

* Propriétés - Faible chute tension

- tension réglable dans de larges limites

et dans les deux sens

- tension proportionnelle à la vitesse

- courant d’excitation indépendante de

la charge et de la vitesse

-Inducteur moins résistant

- Contrôle facile du courant d’excitation

* Utilisations - Alimentation de moteurs à tensions

très variables

U u

i I

G

I

Pu=UI

= Pu/P a

pertes joule =ui +rI² = Ri² + rI²

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3° GENERATRICE SHUNT

Propriétés

-stabilité limitée (sensible à la variation de

vitesse, risque de désamorçage)

- tension réglable par rhéostat de champ

Utilisations

- réseau à tension constante

- Charge de batterie d’accumulateurs

- Excitation des alternateurs

4° GENERATRICE SERIE

* Propriétés

- caractéristique très tombante

- Inutilisable à faible débit et faible vitesse

- Ne convient pas à l’alimentation de réseau à

tension constante

* Utilisations

- projecteur poste soudage

Ia = I+i

= Pu/P a= (Pa-p)/Pa = 1-p/Pa

Pu = UI

pertes joule = Ui + r(I+i)²

p = UnIex + rI²a +Pc

G

U

I I Pu=UI

= Pu/P a=

pertes totales = pertes joule inducteur + pertes

joules induit + pertes constantes

pj = (r+r’)I²

G

U U

i I Ia

Rhex

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5° GENERATRICE COMPOUND

a) Courte dérivation b) Longue dérivation

* Propriétés :

Flux additif ou hyper-compound

- caractéristique croissante

flux soustractif

- courant de court- circuit peu supérieur au

courant normal

- caractéristique tombante

* Utilisations

Flux additif

- Alimentation récepteur à tension constant ou

faiblement croissante

(accumulateurs)

Flux soustractif - Alimentation récepteurs à arcs électriques

(projecteurs, poste de soudage)

- moteur pouvant caler ( pelles électriques etc.)

Courte dérivation :

Ia =I+i ; Is=I et U =E-rIa - r’I

pertes joules =(U+ r’I)i+ rI²a + r’I²

Longue dérivation :

Ia=I+i et U =E - (r+ r’) Ia

pertes joules =Ui+ (r+r’)(I+i)²

= Pu/P a

G

U U

i

I Ia =I+i

G

U U’

i I Ia

E

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6° CARACTERISTIQUES EN CHARGE DES GENERATRICES

%U

100

I(A) 0

Hypercompound

Compound

Séparée

Shunt

Compound différentiel

In

90

80

70

20

IV/ TYPES DE MOTEURS

1° MOTEUR SHUNT

Caractéristiques

Caractéristique de réglage à vide n=f(i)

Si Ia constant on a n = k/ Φ ;c’est une hyperbole de

la forme y = a / x

n t/mn

nn

0 i (A)

i1 in

Pour éviter l’emballement ,il faudra choisir Rhex tel

que imini soit supérieur à i1

U /(Rhex+R) ≥ imini

Caractéristique de vitesse ou électromécanique

n=f(I)

N = (U-rIa)/NΦ; à tension et flux constants, c’est

une droite de la forme y= - ax+b

n tr/mn

no

0 I (A)

I0 In

Caractéristique électromécanique Ce=f(I)

Couple électromagnétique

Cem= K Ia ;c’est une droite de la forme y=ax

Couple utile Cu =f(I=

Cu=Pu/w= (Pem-Pc)/w =KIa –k’ = Cem – k’

c’est une droite de la forme y = ax - b

NB :Les droites s’infléchissent aux fortes charges

à cause de la réaction magnétique d’induit

C (Nm)

0 I (A)

I0 In

Utilisations

- Machines outils,

- pompes,

- ventilateurs,

- Appareils de levage

Propriétés -Vitesse sensiblement constante et facile à régler

-Degré de stabilité élevé

I=Ia+i

= Pu/P a= (Pa-p)/Pa = 1-p/Pa

Pa = UI

pertes joule inducteur=Ui=Ri²

pertes joules induit =rI²a

pertes totales = Ui + rI²a +Pc

Le couple Cu=Pu/2 n

U = constante

Ia=I0=constant

U constant

i constant

U constant

i constant

Cem Cu

M

U U

i I Ia

I

Rhex

R

21

2° MOTEUR SERIE

* Caractéristique de vitesse N =

f(Ia)

n = [U-(r+r’)Ia] / NΦ = K/Ia – k’

Pour I>I1,il y’a saturation du circuit magnétique

Pour I faible Φ=Φ1+Φr ,la courbe est déformée

n (t/mn)

0 I(A)

I0 I1

Alimenté sous tension nominale, le moteur série

ne doit jamais fonctionner à vide

* Propriétés

- Vitesse très variable

- S’emballe à vide

- Couple de démarrage élevé

- Grande vitesse à faible charge

- Absorbe très bien les surcharges

passagères

- Couple indépendant de la tension

* Caractéristique électromécanique N

= f(Ia)

Couple électromagnétique

Zone non saturée :Cem= K Φ Ia =K’I²a;c’est une

parabole de la forme y=ax²

Zone saturée : Φ=Cte ; Cem= K Φ Ia =K’Ia ;c’est une

droite

Couple utile Cu =f(I=

Elle a même allure mais située en dessous

C (Nm)

0

I0 I1 I (A)

* Utilisations

- Traction électrique

- Démarreur d’automobile

- Ventilateurs, pompes centrifuges,

compresseurs ,pompes à piston

M

U

I I = Pu/P a= (Pa-p)/Pa = 1-p/Pa

Pa = UI

pertes joule inducteur=r’I²

pertes joules induit=rI²

pertes totales = rI²+ rI²+Pc

Le couple C=Pu/2 n

U constant

U constant

i constant

Cem Cu

Zone non saturée

Rhex

NB :Le rhéostat d’excitation

comporte une butée pour limiter

le courant d’excitation a une

valeur minimale et éviter

l’emballement

22

3° MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE

Ce moteur n’est pas beaucoup utilisé parce qu’il nécessite deux sources

d’alimentation ;on lui préfère le moteur shunt qui a des caractéristiques semblables.

4° MOTEUR COMPOUND

Tout comme la génératrice, le moteur compound peut être a flux additif ou a flux soustractif

Flux additif Les caractéristiques sont intermédiaires entre celles du Moteur série et celle

du Moteur shunt. Suivant l’importance de la F.M.M. de l’enroulement série, ses caractéristiques se rapprocheront d’avantage de celles du moteur série ( pour les fortes

charges) ou de celles du moteur shunt (à vide et à faible charge).

* Propriétés :

- Couple de démarrage plus élève que celui du

moteur shunt et croissant très rapidement avec le courant.

- Vitesse pratiquement constante aux charges

normales et très rapidement décroissante lorsque le couple

résistant augmente.

- Ne s’emballe pas a vide ou aux faibles charges

comme le moteur série.

* Utilisations

- Machines-outils a couple variable

ou a mouvement alternatif (étaux-

limeurs, raboteuses);

- Machines démarrant en charge

(treuils, pompes à piston) ;

- Traction électrique

* Remarques :

une génératrice à flux additif devient, quand elle est utilisée en moteur, à flux soustractif : inversion de la F.M.M. de l’enroulement série. On y remédie : - En croisant les connexions de l’enroulement shunt si on veut conserver le même sens

de rotation ; - En croisant les connexions de l’enroulement shunt si on veut inverser le sens de rotation.

Flux soustractif

Propriétés :

-Couple de démarrage croissant

d’abord avec le courant pour les faibles

charges, puis décroissant ;

- Vitesse variant peu avec le courant et

pouvant être maintenue constante ou croître

quand la charge croit.

Inconvénients :

- Instabilité et risque d’emballement si, par

accroissement de vitesse ,le couple moteur devient

supérieur au couple résistant ;

- Inversion possible de sens de rotation en cas de

surcharge (F.M.Msérie F.M.M.),d’où surintensité très

dangereuse.

Remarque :ce moteur n’est pas pratiquement

utilisé.

M

U Uex

X

Iex I Ia

I = Ia + i

= Pu/P a=

pertes joule inducteur série =r’I²

pertes joule inducteur shunt =(U-r’I)i

pertes joules induit=rI²a

U-(rIa+r’I)

n = ----------------

N(Φd± Φs)

23

5° CARACTERISTIQUES DES MOTEURS

Caractéristiques électromécaniques N = f(Ia) Caractéristiques électromécaniques Cu = f(Ia)

Caractéristiques mécaniques Cu = f(N) Caractéristiques mécaniques N= f (Cu)

N (t/mn)

C(Nm) 0

Série

Compound différentiel

Shunt

Compound additif

Cn

n

Shunt

Compound additif

C (Nm)

I(A

) 0

Série

Compound différentiel

In

n

I0

n

C(Nm)

N(t/mn) 0

Série

Compound différentiel

Shunt

Compound additif

Nn

n

N (t/mn)

I(A) 0

Série

Compound différentiel

Shunt

Compound additif

In

Cn

n

24

VI/ DEMARRAGE D’UN MOTEUR A COURANT CONTINU

a) Problème du démarrage

De la formule E = U – rIa on tire Ia = (U – E’)/r

Or , au moment de la mise sous tension, la vitesse est nulle donc E = Nn Φ =0 ; la formule devient en

démarrage direct Idd = U/r.

La tension d’alimentation est importante alors que r a une faible valeur (r< 0,5 Ω).

L’intensité Idd = U/r est très importante et peut atteindre 10 à 20 In ;elle ne peut être acceptée ni par le

réseau ni par la machine.

SOLUTION : pour limiter cette intensité à une valeur acceptable, au moment du démarrage , on place,

on série avec l’induit , une résistance Rhd que l’on élimine au fur et à mesure que le moteur prend de

la vitesse . La pointe du courant acceptée sera Id = U/ (r + Rhd)

b) Rhéostat de démarrage (pour moteur dérivation )

Donner au moteur le maximum de flux et réduire la tension U entre les bornes de l’induit pour qu’au

démarrage le courant dans l’induit soit supportable. On accepte pendant le démarrage une diminution

du courant I et son maintien entre deux limites :

Imax = 1,5 à 2,5 In (condition limite d’échauffement)

Imini = In (condition de couple)

Ces deux conditions déterminent le nombre de plots du rhéostat

La plupart des rhéostats possèdent une protection contre une coupure accidentelle du circuit

d’excitation : la Bobine de maintien est désexcitée et un ressort de rappel ramène le curseur sur le plot

mort en cas de coupure d’alimentation.

Branchement du rhéostat de démarrage

Curseur sur plot mort :le moteur est hors tension

Curseur sur plot E : l’inducteur est sous tension nominale (donc flux maximal) et l’induit est sous

tension réduite (Rhd en série) ;le moteur démarre avec une vitesse faible et une intensité limitée

Curseur sur plot M : l’induit est sous tension nominale (Rhd = 0) et l’inducteur est sous tension

réduite (en série avec Rhd donc flux minimal) ;le moteur prend de la vitesse.

Bobine de maintien du curseur

L E M

L = Ligne

E = Excitation

M = Moteur

Résistances fractionnées

reliées aux plots

Curseur

M

U

iex I

I

a

I

L E M

Dès la mise sous tension , il

faut obtenir le flux maximum

25

VII / METHODE DE CALCUL D’UN RHEOSTAT DE DEMARRAGE

a) Schémas de principe

b) Passage d’un plot à l’autre

1) passage au premier plot :Idd=U/R1 ;Le moteur prend de la vitesse ,sa F.C.E.M. augmente et atteint

E’1 ;son intensité diminue jusqu’à In=(U-E’)/R1 ou u-E’1=R1In

2) passage au deuxième plot :L’intensité repasse de In à Idd=(U-E’1)/R2 ;nouvelle pointe de vitesse, sa

f .e.m. augmente encore (E’2) et l’intensité diminue jusqu’à In ;

3) passage au troisième plot : L’intensité repasse de In à Idd=(U-E’2)/R3 ;nouvelle pointe de vitesse, sa

f.e.m. augmente encore (E’3) et l’intensité diminue jusqu’à In ;

4) passage au dernier plot : L’intensité repasse de In à Idd=(U-E’3)/r ;nouvelle pointe de vitesse, sa

f.e.m. augmente encore (E’n) et l’intensité diminue jusqu’à In ;

c) Relations

U-E’1= R1In =R2 Idd d’où R1=R2.Idd/In soit R1=K R2

De la même façon on peut écrire R2=K R3

R3=K r

d) Relations entre K et le nombre de plots n

R1=KR2 =K. KR3= K. K.Kr=K3.r soit R1= K

(n-1).r

R1.= U/Idd et Idd =KIn R1=U/KIn

En égalisant K(n-1)

.r = U/KIn Kn

= U/r In

K= Idd/In = (U/u)1/n =

e) Calcul des portions de résistances

x1= R3 -r =Kr-r = r (K-1)

x2= R2 - R3= K.r(K-1)=K x1

x3= R1- R2= K.K.r (K-1)=K x2

R1

R2

R3

r

U

X1 X2 X3

U : tension d’alimentation

In :Intensité nominale

Idd: Intensité de démarrage

( passage d’un plot à l’autre)

r : résistance de l’induit

n : nombre de plots

x : nombre de portions de résistances

K : rapport Idd / In

x1= r (K-1)

x2=K x1

x3=K x2

26

VII / DETERMINATION GRAPHIQUE D’UN RHEOSTAT DE DEMARRAGE

Il s’agit de tracer les droites D d’équation E’ = f ( I )

Toutes les droites passent par U pour I = 0

Pour I = Idd ,chaque droite passe par E’ (fem déterminée par la droite précédente)

Exemple : Droite D1 d’équation : D1= U -R1In

I = 0 D1 = U

I = Idd D1 =0

Méthode de tracé

1) Choisir une échelle pour le courant et la tension ,tracer ∆In et ∆Idd

2) Joindre Un et Idd :c’est la droite D1 de coefficient directeur –R1

3) Tracer la droite Dn de coefficient directeur –r :Dn = U-rIdd

4) Tracer ensuite les autres droites de coefficients directeurs –R4 , -R3 , -R2

5) Mesurer les segments et les multiplier par K pour trouver x1 ;x2 ;x3

In

-R2

-R3

-r

E’1

E’2

E’3

∆In ∆Idd

N (t/mn)

x1

X2

X3

r

-R1

Idd

Nv

rIdd

R1

En O

A

B

C

D

U (V)

En Nn

N3

N2

N1

rIn

27

VUE ECLATEE D’UNE MACHINE A COURANT CONTINU

28

RESUME DES FORMULES

FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE

TYPE PERTES TOTALES

(p)

PUISSANCE ABSORBEE

(Pa)

RENDEMENT

( )

SEPAREE

RI²ex+rI²a+(UvIv-rI²v) UI+ RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v) UI/Pa

SHUNT

RI²ex+rI²a+( UvIv -rI²v) UI+ RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v) UI/Pa

SERIE

rI²+r’I²+ U’Iv-(r+r’)I²v UI+ ( r+r’)I²+UIv-(r+r’)I² UI/Pa

COMPOUND

RI² ex +r’I²a+rI²+( UvIv -rI²v) UI+ RI² ex +r’I²a+rI²+( UvIv -rI²v) UI/Pa

FONCTIONNEMENT EN MOTEUR

TYPE PERTES TOTALES (p)

PUISSANCE UTILE (Pu)

RENDEMENT

( )

COUPLE (Cu)

SEPAREE

RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v) UI- RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v) Pu/(Pu+p) 30Pu/ N

SHUNT

RI² ex +rI²a+( UvIv -r²Iv) UI- RI² ex +rI²a+( UvIv -rI²v) Pu/UI 30Pu/ N

SERIE

RI²+r’I²+ U’Iv-(r+r’)I²v UI- ( r+r’)I²+UIv-(r+r’)I² Pu/UI 30Pu/ N

COMPOUND

RI² ex +r’I²a+rI²+( UvIv -rI²v) UI- RI² ex +r’I²a+r²I+( UvIv -r²Iv) Pu/UI 30Pu/ N