La machine à courant continu
Électricité 2 — Électrotechnique

Christophe Palermo
IUT de Montpellier
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Principe de fonctionnement
Nécessité d’un collecteur

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Technologie de la machine
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Une machine à courant continu est une machine élec...
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Propriétés du flux magnétique
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B · dS

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Principe de fonctionnement

Les rails de Laplace : génération de f.é.m
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Les rails de Laplace : génération de f.é.m
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Force de Laplace
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Soit un élément de circuit :
parcouru par...
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Les rails de Laplace : mise en mouvement
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Problématique
Exemple du moteur :

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La solution
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Le stator
Stator = inducteur
Crée le champ inducteur (continu)
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Stator = inducteur
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Le rotor
Rotor = induit
Ensemble de cadres tournants
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Puissance et couple électromagnétique
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Vitesse du moteur
Vitesse n (tr/s ou s−1 ) ou Ω = 2πn (rad/s)
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Vitesse du moteur
Vitesse n (tr/s ou s−1 ) ou Ω = 2πn (rad/s)
Usage : tr/min ou min−1

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Deux remarques

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Fonctionnement moteur

Bilan des puissances du moteur à courant continu
Puissance électrique
absorbée Pa

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Rendement du moteur

Définition
Le rendement η d’un moteur est le rapport entre la puissance mécaniq...
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Couple utile d’un moteur à courant continu

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Commande du moteur
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Démarrage du moteur à excitation séparée

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Fonctionnement en génératrice

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Bilan de la machine à courant continu

Avantages :
Commande facile : U ←→ n et I ←→ Tu
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  1. 1. La machine à courant continu Électricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques & Institut d’Electronique du Sud Université Montpellier 2 Web : http://palermo.wordpress.com e-mail : cpalermo@um2.fr Année Universitaire 2010–2011 MONTPELLIER
  2. 2. Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 Bilan IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 2 / 37
  3. 3. Présentation et Fonctionnement Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 Bilan IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 3 / 37
  4. 4. Présentation et Fonctionnement Définition La machine à courant continu Une machine à courant continu est une machine électrique tournante mettant en jeu des tensions et des courants continus. 2 tensions : induit U et inducteur u 2 courants : induit I et inducteur i IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 4 / 37
  5. 5. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Le flux magnétique Soient : Une surface élémentaire dS de normale orienté n Un champ magnétique B uniforme sur dS B n alors : dφ = B · n dS = B · dS Flux magnétique sur S toute entière : dS B · dS φ= S Unité : Wb (Weber) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 5 / 37
  6. 6. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Propriétés du flux magnétique φ= B · dS n n (a) n (b) (c) Produit scalaire : B//n ←→ flux maximum B ⊥ n ←→ flux nul Champ varie ⇒ Flux varie Surface varie ⇒ Flux varie IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 6 / 37
  7. 7. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Propriétés du flux magnétique φ= B · dS n n (a) n (b) (c) Produit scalaire : B//n ←→ flux maximum B ⊥ n ←→ flux nul Champ varie ⇒ Flux varie Surface varie ⇒ Flux varie IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 6 / 37
  8. 8. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : génération de f.é.m x x+dx M V N L e B O P MN et PO fixes et NO mobile → − B constant et uniforme Variation de surface =⇒ dφ IUT de Montpellier (Mesures Physiques) e=− dφ dt Mesurable avec un voltmètre La machine à courant continu 2010–2011 7 / 37
  9. 9. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : génération de f.é.m x x+dx M V N L e B O P |e| ↑ quand B ↑ ; |e| ↑ quand |v | ↑ ; → − B change de sens =⇒ e change de signe ; → change de sens, e change de signe − v e = −BLv Même principe dans une génératrice Ampèremètre =⇒ courant IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 8 / 37
  10. 10. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Force de Laplace dF Soit un élément de circuit : parcouru par un courant I ; B I de longueur élémentaire dL (orientée dans le sens du courant) ; IdL dL plongé dans un champ magnétique B. L’élément subit une force élémentaire dF : dF = I dL ∧ B Pour tout le circuit : dL ∧ B F =I L On utilise la règle de la main droite. IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 9 / 37
  11. 11. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : mise en mouvement I M N E P I MN et PO fixes et NO mobile → − B constant et uniforme E tension continue I B F O → − Force de Laplace F =⇒ Création d’un mouvement Circulation d’un courant IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 10 / 37
  12. 12. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : mise en mouvement I M N E P I B I F O F ↑ quand B ↑ ; F = ILB F ↑ quand I ↑ ; → − → − − B change de sens =⇒ F et → changent de sens v → changent de sens − E change de sens, I et v Même principe dans un moteur IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 11 / 37
  13. 13. Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Le cadre tournant B I Rotation −→ lois de Faraday et de Laplace → − B champ d’induction continu On impose le mouvement =⇒ Faraday =⇒ Génératrice On injecte un courant =⇒ Laplace =⇒ Moteur IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 12 / 37
  14. 14. Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur Problématique Exemple du moteur : B F’ I F → − B ⊥ plan du cadre =⇒ couple nul =⇒ pas de mouvement Le cadre s’arrête au bout d’un demi-tour On n’a que du courant continu ! IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 13 / 37
  15. 15. Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur La solution B B B F I F I F I F (a) (b) F (c) F Changer le sens du courant Que du courant continu Changer le sens du champ Collecteur : dispositif d’inversion Plusieurs cadres dans une MCC IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 14 / 37
  16. 16. Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur La solution B B B F I F I F I F (a) (b) F (c) F Changer le sens du courant Que du courant continu Changer le sens du champ Collecteur : dispositif d’inversion Plusieurs cadres dans une MCC IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 14 / 37
  17. 17. Technologie de la machine Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 Bilan IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 15 / 37
  18. 18. Technologie de la machine Circuits électriques Le stator Stator = inducteur Crée le champ inducteur (continu) B N S Peut-être composé d’aimants permanents (i fixe) de bobinages (i réglable) Courant inducteur = courant d’excitation = i IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 16 / 37
  19. 19. Technologie de la machine Circuits électriques Le stator Stator = inducteur Crée le champ inducteur (continu) B N S Peut-être composé d’aimants permanents (i fixe) de bobinages (i réglable) Courant inducteur = courant d’excitation = i IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 16 / 37
  20. 20. Technologie de la machine Circuits électriques Le rotor Rotor = induit Ensemble de cadres tournants rotor-induit stator-inducteur Baigne dans le champ magnétique Siège de la conversion électro-mécanique Apparition d’un couple ou d’une f.é.m IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 17 / 37
  21. 21. Technologie de la machine Circuits électriques Symboles électriques Il en existe plusieurs Nous utiliserons : (a) (b) inducteur G M Induit Mode génératrice IUT de Montpellier (Mesures Physiques) inducteur Induit Mode moteur La machine à courant continu 2010–2011 18 / 37
  22. 22. Technologie de la machine Le collecteur et les balais Technologie Il faut inverser le courant Exemple simplifié pour 1 cadre cadre conducteur or rot matière isolante ur cte e oll c − balais + I lame conductrice 2 lames ↔ 1 cadre Balais (= charbons) assurent le contact électrique IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 19 / 37
  23. 23. Fonctionnement de la machine Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 Bilan IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 20 / 37
  24. 24. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Montages électriques Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induit IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 21 / 37
  25. 25. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Montages électriques Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induit Connexion en série : montage série Connexion en parallèle : montage shunt Connexion indépendante : montage à excitation séparée IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 21 / 37
  26. 26. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Montages électriques Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induit Connexion en série : montage série Connexion en parallèle : montage shunt Connexion indépendante : montage à excitation séparée Des caractéristiques différentes Dans ce cours Nous étudierons le montage à excitation séparée uniquement Équations : shunt : on posera U = u série : on posera I = i IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 21 / 37
  27. 27. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Schémas électriques équivalents Définition On appelle schéma électrique équivalent d’un circuit un schéma permettant de rendre compte du comportement électrique de ce circuit à l’aide de générateurs et de composants simples. Échauffement =⇒ résistance Fuites de courant =⇒ conductance Force électromotrice =⇒ dipôle polarisé Pertes de flux magnétique (ALTERNATIF) =⇒ bobine Effets capacitifs (ALTERNATIF) =⇒ condensateur IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 22 / 37
  28. 28. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Schémas électriques équivalents Définition On appelle schéma électrique équivalent d’un circuit un schéma permettant de rendre compte du comportement électrique de ce circuit à l’aide de générateurs et de composants simples. Échauffement =⇒ résistance Fuites de courant =⇒ conductance Force électromotrice =⇒ dipôle polarisé Pertes de flux magnétique (ALTERNATIF) =⇒ bobine Effets capacitifs (ALTERNATIF) =⇒ condensateur Et pour la MCC ? 2 Bobinages traversés par un courant continu Point de vue électrique =⇒ échauffement =⇒ résistance Induction d’une f.é.m dans l’unduit =⇒ dipôle polarisé IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 22 / 37
  29. 29. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Schémas électriques équivalents de la MCC (a) (b) i r résistance d’inducteur R u r U E inducteur u, i R résistance d’induit E force électromotrice ou contre électromotrice Induit U, I Sens du courant induit I : dépend du mode de fonctionnement Moteur −→ Puissance mécanique −→ E et I en sens inverses (récepteur) Génératrice −→ Puissance électrique −→ E et I dans le même sens IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 23 / 37
  30. 30. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques La force électromotrice E Rotor-induit : siège d’une f.é.m Vrai pour le moteur et la génératrice Force contre-électromotrice pour le moteur IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 24 / 37
  31. 31. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques La force électromotrice E Rotor-induit : siège d’une f.é.m Vrai pour le moteur et la génératrice Force contre-électromotrice pour le moteur Rails de Laplace : f.é.m = f (B,v ) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 24 / 37
  32. 32. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques La force électromotrice E Rotor-induit : siège d’une f.é.m Vrai pour le moteur et la génératrice Force contre-électromotrice pour le moteur Rails de Laplace : f.é.m = f (B,v ) E = K φΩ avec K constante de la machine, φ en Wb et Ω en rad/s IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 24 / 37
  33. 33. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Puissance et couple électromagnétique Puissance électromagnétique : Transmise entre rotor et stator (champ magnétique) Convertie (électrique ←→ mécanique) En rapport avec E (et I) Pem = EI IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 25 / 37
  34. 34. Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Puissance et couple électromagnétique Puissance électromagnétique : Transmise entre rotor et stator (champ magnétique) Convertie (électrique ←→ mécanique) En rapport avec E (et I) Pem = EI Couple électromagnétique Tem : Appliqué par les forces de Laplace Sur le rotor Tem = Pem = K φI Ω Tem proportionnel à I IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 25 / 37
  35. 35. Fonctionnement moteur Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 Bilan IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 26 / 37
  36. 36. Fonctionnement moteur Définition (a) (b) i R u r U E inducteur u, i Induit U, I Mode moteur Une machine à courant continu fonctionne en mode moteur si et seulement si U > E . L’induit absorbe le courant I IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 27 / 37
  37. 37. Fonctionnement moteur Vitesse du moteur Vitesse n (tr/s ou s−1 ) ou Ω = 2πn (rad/s) Usage : tr/min ou min−1 IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 28 / 37
  38. 38. Fonctionnement moteur Vitesse du moteur Vitesse n (tr/s ou s−1 ) ou Ω = 2πn (rad/s) Usage : tr/min ou min−1 I R RI E U =⇒ U = E + RI Ω= IUT de Montpellier (Mesures Physiques) U − RI Kφ La machine à courant continu 2010–2011 28 / 37
  39. 39. Fonctionnement moteur Deux remarques RI << U =⇒ Ω U Kφ Commande du moteur U permet de contrôler la vitesse de rotation pour φ donné. n∝ U − RI i i −→ 0 =⇒ n −→ ∞ Emballement du moteur Ne jamais couper l’inducteur d’un moteur à courant continu en fonctionnement. Risque d’emballement ! IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 29 / 37
  40. 40. Fonctionnement moteur Bilan des puissances du moteur à courant continu Puissance électrique absorbée Pa Pertes Joule PJS +PJR Puissance électromagnétique Pem Pertes mécaniques rotationnelles Prot Pertes fer Pf IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu Puissance mécanique utile Pu 2010–2011 30 / 37
  41. 41. Fonctionnement moteur Bilan des puissances du moteur à courant continu Puissance électrique absorbée Pa Pertes Joule PJS +PJR Pertes mécaniques rotationnelles Prot Puissance électromagnétique Pem Pertes fer Pf Puissance mécanique utile Pu Pcste = Prot + Pf se mesurent à vide (cf notes) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 30 / 37
  42. 42. Fonctionnement moteur Rendement du moteur Définition Le rendement η d’un moteur est le rapport entre la puissance mécanique utile Pu et la puissance électrique absorbée Pa . η= IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Pu (< 100 %) Pa La machine à courant continu 2010–2011 31 / 37
  43. 43. Fonctionnement moteur Rendement du moteur Définition Le rendement η d’un moteur est le rapport entre la puissance mécanique utile Pu et la puissance électrique absorbée Pa . η= Pu (< 100 %) Pa À vide : Sans charge mécanique Pu = 0 (moteur inutile) η=0 IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 31 / 37
  44. 44. Fonctionnement moteur Couple utile d’un moteur à courant continu Bilan des puissances =⇒ Tu ∝ φI Commande du moteur Le courant I permet de contrôler le couple moteur pour φ donné. Tu et n sont contrôlables indépendamment Faibles vitesses et forts couples Idéal pour le démarrage en charge IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 32 / 37
  45. 45. Fonctionnement moteur Démarrage du moteur à excitation séparée Au démarrage : Ω = 0 =⇒ E = 0 La résistance d’induit R est petite I = U/R très grand Limiter la tension U : Rhéostat de démarrage =⇒ n’est plus utilisé Variateur de vitesse (hacheurs, tension variable) =⇒ TP Tension de démarrage Pour contrôler le courant, un moteur à excitation séparée doit être démarré à tension réduite. IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 33 / 37
  46. 46. Fonctionnement en génératrice Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 Bilan IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 34 / 37
  47. 47. Fonctionnement en génératrice Définition (a) (b) i R u r U E inducteur u, i Induit U, I Mode génératrice Une machine à courant continu fonctionne en mode génératrice si et seulement si E > U. L’induit délivre le courant I U = E − RI =⇒ on recalcule comme précédemment IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 35 / 37
  48. 48. Bilan Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 Bilan IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 36 / 37
  49. 49. Bilan Bilan de la machine à courant continu Avantages : Commande facile : U ←→ n et I ←→ Tu Connexion directe sur batteries possible Facilement réversible (U par rapport à E ) Couple au démarrage réglable et important Inconvénients : Emballement possible Tension au démarrage à contrôler Prix élevé Maintenance nécessaire Source importante de nuisances (étincelles) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 37 / 37

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