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Module 106 : Analyse du fonctionnement des moteurs
électriques à CC et à CA
CF YM -CFMMER
Objectif : développement des compétences nécessaires pour effectuer des
installations avec des machines électriques ainsi que leurs commande électriques.
Plan:
Chapitre 1 : Machine à courant continu:
I. Rappel sur les lois:
II. Principe de fonctionnement:
III. Construction d’une machine à courant continu:
IV. Génératrice à courant continu :
4.1. Génératrice à excitation séparée:
4.2. Génératrice à excitation en série:
4.3. Génératrice à excitation « shunt »:
4.4. Génératrice à excitation composé:
4.5. Fonctionnement à vide :
4.6. Fonctionnement en charge:
V. Moteur à courant continu:
5.1.Moteur à excitation séparée:
5.2.Moteur à excitation « shunt » :
5.3. Moteur à excitation série :
5.4. Moteur à excitation composée (compound):
5.5. Fonctionnement à vide :
5.6. Fonctionnement en charge:
Généralités sur les machines électriques :
Le but essentiel des machines électriques est la transformation de l'énergie
d'une forme dans une autre, l'une au moins de ces formes étant électrique,
l'autre pouvant être électrique ou mécanique.
On peut, a priori, classer les machines électriques en trois catégories
principales :
Machine à
Courant Continu
Moteurs à
Courant Alternatif
Moteurs
Spéciaux
Moteurs à Courant Continu
Moteurs à Courant Alternatif
Moteurs asynchrone Moteurs synchrone
Moteurs Spéciaux
Moteurs Brushless
Moteurs Pas à Pas Servomoteur Moteurs universel
I. Rappel sur les lois de l’électromagnétisme :
Un conducteur traversé par un courant et placé dans un champ magnétique est
soumis à une force dont le sens est déterminée par la règle des trois doigts de la
main droite.
F: Force en Newtons
B : Induction magnétique en teslas
I : Intensité dans le conducteur en ampères
L : Longueur du conducteur en mètres
1. 1.La loi de Laplace :
F BxLxI
Règle des 3 doigts de la main droite :(Règle de
Flemming)
courant – champ - force
1.2. Loi de Faraday:
le déplacement d’un conducteur dans un champ magnétique induisait une tension
électrique . On peut exprimer ainsi la loi de Faraday selon l’équation suivante :
• B = densité de flux, en tesla, (T) ;
• l = longueur en mètre du conducteur ;
• v = vitesse rectiligne ou périphérique du conducteur en mètre par seconde, (m/s) ;
• e = tension induite par le conducteur.
e B l v
  
1.3. Loi de Lenz:
Une variation de flux magnétique à travers un circuit fermé donne naissance
à un courant induit du à la force électromotrice engendrée par cette
variation.
e = - d 
dt
Machine à courant continu
1 Présentation générale
La machine à courant continu est un convertisseur d'énergie, totalement réversible, elle peut fonctionner soit
en moteur, convertissant de l'énergie électrique en énergie mécanique, soit en génératrice, convertissant
de l'énergie mécanique en énergie électrique. Dans les deux cas un champ magnétique est nécessaire aux
différentes conversions. Cette machine est donc un convertisseur électromécanique
Conversion d’énergie
1. Symbole
Une machine à courant
continu peut fonctionner en
moteur ou en génératrice.
On dit qu’elle est
réversible.
Puissance
Mécanique
Pa(C,)
Puissance
électrique
Pu(U,I)
Puissance
électrique
Pa(U,I)
Puissance
Mécaniqu
e Pu(C,)
La machine CC comprend :
•un circuit magnétique comportant une partie
fixe, le stator, une partie tournant, le rotor et
l’entrefer l’espace entre les deux parties.
•une source de champ magnétique nommée
l’inducteur (le stator) crée par un bobinage ou
des aimants permanents
•un circuit électrique induit (le rotor) subit les
effets de ce champ magnétiques
•le collecteur et les balais permettent d’accéder
au circuit électrique rotorique
Machine à courant continu
Construction d’une machine à courant continu
Fiche technique plaque signalétique
Machine à courant continu
Machine à courant continu
Príncipe de fonctionnement
L’inducteur (ou stator) crée un champ magnétique
fixe B . Ce stator peut être à « aimants
permanents » ou constitué d’électro-aimants.
L’induit (ou rotor) porte des conducteurs parcourus
par un courant continu (alimentation du
moteur) ; ces spires, soumises à des forces (forces
dites « de Laplace »), entraînent la rotation du
rotor.
Il en résulte une variation du flux du champ
magnétique à travers chaque spire ; elle engendre
une f.é.m. qui est « redressée » par l’ensemble
{collecteur + balais}.
Machine à courant continu
Deux types d ’excitation sont utilisées, soit :
A aimants permanents:
Les pertes joules sont
supprimées mais l ’excitation
magnétique est fixe. Dans les
grosses machines, le coût de
aimants pénalise cette solution
A enroulement et pièces polaires :
Le réglage de l ’excitation rend possible
le fonctionnement en survitesse. Pour les
grosses machines, le montage de pôles
auxiliaires améliore la commutation du
courant dans les conducteurs de l’induit.
Machine à courant continu
3.3.Les balais :
Les balais assurent la liaison électrique ( contact glissant ) entre la partie fixe et
la partie tournante. Pour des machines de forte puissance, la mise en parallèle
des balais est alors nécessaire.
Pour des raisons d’économie, ils doivent avoir une durée de vie aussi longue
que possible et assurer un bon contact électrique. Différentes technologies
existent : les balais au charbon dur, les graphitiques, les électro-graphitiques, et
les métallo-graphitiques.
Machine à courant continu
3.4. Collecteur:
Le collecteur a pour fonction d’assurer la commutation du courant
d’alimentation dans les conducteurs de l’induit.
Il est essentiellement constitué par une juxtaposition cylindrique de lames
de cuivre séparées par des lames isolantes. Chaque lame est reliée
électriquement au bobinage induit.
 Le dispositif collecteur/balais permet d’assurer la liaison de l’induit avec
la source d’alimentation et aussi le redressement mécanique de la tension
induite alternative.
Machine à courant continu
La force électromotrice :
La valeur moyenne E de cette f.é.m. est proportionnelle à la vitesse angulaire de
rotation Ω du rotor, au flux maximal du champ magnétique créé par
l’inducteur à travers une spire et à une constante K qui dépend des
caractéristiques de la conception du moteur (nombre de conducteurs, surface
de chaque spire, nombre de paires de pôles,..)
E = K φ Ω
P: nombre de paire de pôles de
l'induit
N : nombre de conducteurs de
l'induit
a : nombre de paires de voies
d'enroulement
n : vitesse en (tr/s)
Ø : flux en Webers (Wb)
E 
p
2a
N
p
2a
avec K  N
N.B Si l’inducteur n’est pas « à aimants permanents », l’alimentation de celui-ci
aura un impact sur le champ magnétique donc sur le flux φ
Machine à courant continu
Couple électromagnétique
Exemple pour une spire : les deux brins d’une spire
placées dans le champ magnétique B , subissent des
forces de Laplace F1 et F2 formant un couple de force (
F1  F2  I.l  B ) La loi de Laplace .
Pour une spire :   2rF  2r l BI  S B I  I
Tem  K φ I
K est la même constante que dans la formule de la f.é.m.:
E  K φ 
Si de plus la machine fonctionne à flux constant :
Tem  K' I
I en A
Tem en N.m
φ en Wb
Machine à courant continu
Puissance électromagnétique
Si l’induit présente une f.é.m. E et s’il est parcouru par le
courant I, il reçoit une puissance électromagnétique
Pem=E.I
D’après le principe de conservation de l’énergie cette
puissance est égale à la puissance développée par le
couple électromagnétique.
Pem= E I =Tem
la formule de la f.é.m.: E  K φ 
la formule de la couple électromagnétique Tem  K φ I
Pem en watts
Machine à courant continu
Couple utile, Puissance utile
Les pertes mécaniques (frottement dans les paliers, action de l’aire de ventilation) et les
pertes fer dans l’induit produisent un couple Cp appelé couple de pertes.
Le couple utile disponible sur l’arbre du moteur sera exprimé par :
T𝑢 = T𝑒𝑚 − T𝑝
La puissance utile développée par le moteur est donnée par:
𝑃𝑢 = T𝑢 .Ω
Le rendement :
Le rendement du moteur est donné par : 𝜂 = 𝑃𝑢 / 𝑃a
Machine à courant continu
Modèle équivalent de l’induit
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
Machine à courant continu
L’induit (ou circuit de puissance ):
Modèle équivalent de l’induit :
L’induit va présenter une f.e.m. E et sa résistance de bobinage R.
Mode moteur Mode génératrice
• f.e.m. du à la rotation dans le champ inducteur (V).
• R résistance des enroulements (Ω).
• U tension d’alimentation de l’induit (V).
• I courant dans l’induit (A).
U = E+RI U = E - RI
Machine à courant continu
l’ inducteur: (ou circuit d’excitation ):
Modèle équivalent de l’inducteur :
Le bobinage inducteur alimenté sous tension continue ne présente que sa résistance de
bobinage. (Valable uniquement dans le cas où l’inducteur est bobiné)
.
re :résistance de l’enroulement inducteur (Ω).
Ue : Tension d’alimentation de l’inducteur (V).
Ie :courant dans l’inducteur (A).
Ue = re x Ie
Machine à courant continu
Nombre de paire de pôles de l'induit
l’inducteur comporte de 2xP pôles nord et sud pour :
• P=1 : machine bipolaire (2 pôles)
• P=2 : machine tétrapolaire (4 pôles)
• P=3 : machine hexapolaire (6 pôles)
• P=4 : machine octopolaire (8 pôles)
Ces pôles sont dits pôles principaux , constitués de noyaux massifs en acier doux,
ils sont terminés par des épanouissements( ou cornes) polaires feuilletés pour
réduire les pertes fer
Machine à courant continu
Nombre de paires de voies d'enroulement a :
On représente un induit suivant le nombre de paire de voies d’enroulements a et le
nombre total de conducteurs N :
Exemple:
Séparation de l’induit
par deux voies
d’enroulement
Séparation de l’induit
par quatre voies
d’enroulement
Machine à courant continu
Les différents types de machines a courant continu
Machine à courant continu
IV. Génératrice à courant continu :
Suivant la façon dont est alimenté le circuit inducteur on distingue quatre types d’excitation :
4.1. Génératrice à excitation séparée (indépendante) :
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.
+
_
Machine à courant continu
IV. Génératrice à courant continu :
4.2. Génératrice à excitation en série :
l'enroulement inducteur (ou d'excitation)
est en série avec l'enroulement de
l'induit ; avec l'identification des bornes
de l'inducteur série par D1 et D2. Les
deux circuits sont parcourus par le même
courant (I), celui débité par la génératrice
Notez que, puisque la tension (U) d'une génératrice à excitation en série varie
considérablement avec la charge, les génératrices de ce type ne sont plus utilisées.
Machine à courant continu
IV. Génératrice à courant continu :
4.3. Génératrice à excitation en shunt :
•La génératrice à excitation en dérivation
ou excitation shunt est une machine très
répandue, car elle n'exige pas une
source spéciale de courant d'excitation.
On dit qu'elle est auto-excitée
•Le bobinage inducteur (bornes E1
et E2), est raccordé directement en
parallèle à l'induit (bornes A1 et A2).
•La tension (U) aux bornes de la
génératrice est égale à celle de l'induit et
à celle de l'inducteur. Le courant
d'excitation (iexc) est tiré de l'induit.
Machine à courant continu
IV. Génératrice à courant continu :
4.4. Génératrice à excitation composée :
courte dérivation Longue dérivation
Le flux inducteur est crée à la fois par :
•Un enroulement série (D1-D2) connecté en série avec l’induit.
•Un enroulement shunt (E1-E2) connecté en parallèle avec l’induit.
•D'un montage à l'autre les différences théoriques sont faibles et les différences pratiques
sont négligeables. La génératrice à les mêmes propriétés dans les deux cas..
Les différentes pertes
PC = Pfer + Pméca
les pertes dites « constantes » ou « collectives ». C’est à dire que si le moteur travaille à
vitesse et flux constants
Couple de pertes TP
p
C
P k
 
Donc : T    k
le moment du couple de pertes est une caractéristique constante du moteur quelle
que soit la vitesse.
Type de pertes effet Joule Pertes ferro-
magnétiques
pertes
mécaniques
Cause
résistance induit et
inducteur
hystérésis,
courants de Foucault
frottements
Remède
ventilation matériaux (Fe,Si)
feuilletage
roulements,
lubrifiants
utile
pertes
absorbée P
P
UI
P 


TP

PC

Machine à courant continu
Démarrage de moteur a CC
Surintensité de démarrage (exemple) Soient :
Tdc le couple de démarrage imposé par la charge (N.m);
Td le couple de démarrage du moteur (N.m);
Id le courant de démarrage (A);
d
R R
Au démarrage :   0  E  0 et donc I 
Un  E

Un
 240 A >> In
Dès que le moteur commence à tourner, E augmente et Id diminue jusqu’à In.
Au démarrage en charge :
il faut que Td > Tdc il faut donc un courant de décollage Id

Td  Tdc
K K
On constate qu’étant donné la pointe de courant de démarrage, le moteur à excitation
indépendante peut démarrer en charge.
Consequences
La pointe de courant de 240 A va provoquer la détérioration de l’induit par échauffement
excessif par effet joule.
Il faut limiter le courant de démarrage : en générale on accepte
Id  1, 5 In
Solutions pour limiter le courant
Solution 1 : on utilise des rhéostats de démarrage.
Cette solution est peu économique.
Dans notre exemple Un  (R  Rh )Id  (R  Rh )1,5In
h
Soit : R 
Un
1,5In
 R  7 
Etude de cas
Un =240 V la tension d’alimentation
nominale de l’induit ; In = 20 Ale
courant nominal dans l’induit ;
R=1  la résistance de l’induit
Solution 2 : on démarre sous une tension d’alimentation
réduite.
Dans notre exemple
Ud  RId  R.1,5.In  30 V
Machine à courant continu
Fonctionnement à vide
A vide la seule puissance absorbée sert à compenser les pertes. La puissance utile est nulle.
I0 << In  RI0 << U et finalement Ω=(U-R. I0)/ K φ Qui égale a Ω=U/ K φ
La vitesse à vide se règle en fonction de la tension d’alimentation ou du flux inducteur φ
Attention : à vide, il ne faut jamais supprimer le courant d’excitation Ie lorsque l’induit
est
sous tension, car le moteur peut s’emballer. En effet si Ie  0 alors φ  0 et 0  .
Fonctionnement à flux constant
•  
U  RI0 
U
• K K
La caractéristique passe approximativement par zéro.
U (V)
0 (rad.s-1)
 ou Ie = Cte
R.I0 << Un
2 2
 K U avec K 
1
K
U 2 > U 1
U 1
0 à vide
A chaque tension d’induit correspond une droite dont
la pente ne dépend que de l’excitation.
Pour une excitation donnée
T u v = 0
W v = U 1 / k
T u (N.m)
Machine à courant continu
Fonctionnement en charge
Exprimons la vitesse de rotation en fonction de la tension d’alimentation :
E
K K 2 2
    
U  RI
 K (U  RI) avec K 
1
K
 cte
La vitesse dépend de :
- la tension d’alimentation U ;
- l’intensité du courant I imposée par le moment du couple résistant.
U reste tout de même grand devant R.I. En conséquence la
vitesse de rotation est essentiellement fixée par la tension
d’alimentation U et varie très peut en fonction du courant,
c’est-à-dire de la charge.
Tu (N.m)
caractéristique mécaniquedumoteur:
la vitessevarietrèspeu avec la charge
U = cste
Exprimons le courant en fonction du couple utile : I 
Tem

Tu  Tp
K K
 (rad.s-1)
Le couple de perte Tp reste constant et faible devant le couple de charge Tr.
Mode de fonctionnement
L’alimentation de l’induit sous tension réglable présente deux avantages :
- mise en vitesse progressive avec suppression de la surintensité ;
- vitesse largement variable.
C’est le mode de fonctionnement utilisé lorsque la vitesse doit varier.
Machine à courant continu
Moteur à excitation indépendante (ou excitation séparée)
Point de fonctionnement
Une charge oppose au moteur un couple résistant Tr. Pour que le moteur puisse entraîner cette charge, le
moteur doit fournir un couple utile Tu de telle sorte que :
Tu  Tr
Cette équation détermine le point de fonctionnement du moteur.
 (rad.s-1
)
Tu caractéristique mécanique
du moteur
Tr caractéristique mécanique
de la charge
Point d’intersection = point de
fonctionnement
Bilan énergétique
T (N.m)
Pa la puissance absorbée (W)
Pem la puissance électromagnétique (W) ;
Pu la puissance utile (W);
Pje les pertes joules à l’inducteur (W);
Pj les pertes joules à l’induit (W) ;
Pfer les pertes ferromagnétiques (W) ;
Pméca les pertes mécaniques (W) ;
E la f.é.m. (V) ;
I le courant d’induit (A) ;
Tem le couple électromagnétique (N.m) ;
Tu le couple utile (N.m) ;
 la vitesse de rotation (rad.s-1
) ;
R la résistance d’induit () ;
r la résistance d’inducteur ().
Pa
=U.I+Ue.Ie
Pem Pu =Tu.
=E.I=Tem.
e
Pje = Ue.Ie = r.I 2
Pj = R.I
2
Pfer Pméca
Pc
Ue la tension de l’inducteur (V) ;
Ie le courant d’inducteur (A) ;
Machine à courant continu
Pertes constantes
PC  Pem  PU
D’après le diagramme des puissances, Pc est la différence entre la puissance
électromagnétique et la puissance utile.
En effet : PC Pfer  Pméca  Pem  PU
Couple de pertes TP
P
PC

T   T  T
em U
P

T  

P P  P P P
C em U em U
 
   T  T
em U
Rendement
a u
Cette méthode consiste à mesurer P et P .  
Pu

Tu.
P
a U.I  Pje
Exploitation du diagramme :
par exemple : Pem = Pa - Pje - Pj ; PC = Pem - Pu
Machine à courant continu
• M0TEUR A CC
1. Moteur à excitation separée.
2. Moteur à excitation serie.
3. Moteur à excitation paralléle.
4. Moteur à excitation composée.
5. Moteur a aimant permanent.
MCC
Energie Electrique Energie Mecanique
Pertes
Moteur à excitation indépendante (ou excitation séparée)
Machine à courant continu
Moteur à excitation série
On a : I  Ie
et comme   Cste.Ie (hors saturation)
Modèle équivalent et caractéristiques
Caractéristiques :
U  E  Rt I
E  kI
em
T  kI2
Schéma équivalent : Rt  r  R
Fonctionnement
Fonctionnement à vide
La charge impose le courant : I 
Tem
k
Si Tem tend vers 0, I tend aussi vers 0 et  tend vers l’infini (si l’on ne tient pas
compte des frottements).
Alimenté sous tension nominale, le moteur série ne doit jamais fonctionner à
vide au risque de s’emballer.
I (A)
 (rad.s-1)
Machine à courant continu
Démarrage
Tension de démarrage :
Comme pour le moteur à excitation indépendante, il est préférable de démarrer sous tension
d’induit réduite.
En effet au démarrage :   0  E  0  I 
U
Rt
Couple de démarrage :
Le moteur série peut démarrer en charge.
Supposons que l’on limite le courant de démarrage Id à 1,5 fois le courant nominal In.
Excitation indépendante : Td  KId  1,5KIn  1,5Tn
Excitation série : T  kI2
 k(1,5I )2
 2,25kI2
 2,25T
d d d d n
Pour les mêmes conditions, le moteur série possède un meilleur couple de démarrage que le moteur à excitation indépendante.
Moteur à excitation indépendante (ou excitation séparée)
em
T  kI2
T  T  T
u em p
T (N.m)
Tem
Tu
saturation, la relation
T=knI2’esptluvsalable
Caractéristique T=f(I)
Machine à courant continu
Moteur à excitation série
Machine à courant continu
Moteur à excitation shunt
Les enroulements de l’induit et de l’inducteur sont est connectés en parallèle :
a. Modéle equivalent
• Si on coupe accidentellement le courant d’excitation ( iex = 0) la
vitesse augmente très rapidement est le moteur s’emballe
Ia
U
Iex
Re
U
I
Ia
Iex I
Modéle equivalent
b. Tension d’alimentation : U=E+Ra . I avec I= Ia+Iex
c. Vitesse de rotation Ω=E/KФ
• Si on coupe accidentellement le courant d’excitation ( iex = 0; Ф=0 ) la vitesse
augmente très rapidement est le moteur s’emballe Ω=E/ 0 Ω=+∞
Remarque
•Les caractéristiques sont identiques à celles d’un moteur à excitation séparée.
Symbole
Machine à courant continu
Machine à courant continu
Bilan de puissance
Pa=U.I Pem=E.I Pu=Tu.Ω
Pj induit=Ra.I²a
Pj ex=Rs.I²ex Pc=pm+pfer
Machine à courant continu
Moteur à aiment permanent
a. Modéle equivalent
a. Tension aux bornes de l’induit U=E+Ra . Ia
b. La force contre electromotrice E=K.Ф.Ω le moteur à aiment permanent est à flux constant Ф=k
Alors la f.c.é.m. est directement proportionnel à la vitesse de rotation E=K’.Ω avec K’=K.k
N
S
Modéle equivalent
Symbole
U
U
U
Machine à courant continu
Bilan de puissance
Les pertes par effet de joule inducteur sont suprimés car l’inducteur est à aiment
permanent pjex=0
Pa=U.Ia Pem=E.Ia Pu=Tu.Ω
Pj induit=Ra.I²a
Pc=pm+pfer
Machine à courant continu
+
BILAN DES PUISSANCES
Génératrice à excitation indépendant
Machine à courant continu
Bilan des puissances
Génératrice à excitation en shunt
Machine à courant continu
Bilan des puissances
Génératrice à excitation série
Bilan des puissances
Génératrice à excitation composée (courte dérivation)
Bilan des puissances
Génératrice à excitation composée (langue dérivation)
BILAN DES PUISSANCES
• Toute la puissance absorbée par l’inducteur est entièrement consommée par l’effet joule.
+
•Tu = Tem - Tc
•le rendement électrique : e = Pem/Pa
• le rendement industriel :  = Pu/Pa
Le rendement industriel , tenant compte des pertes constantes , est toujours
inferieur au rendement électrique .
Comparaison entre les différents types de moteurs a courant continu:
Série Shunt Compound
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
•Vitesse sensiblement
constante et facile à
Régler.
•Degré de stabilité
élevé
•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 •Traction électrique.
•Démarreur
d’automobile….
•Machines outils.
•Appareils de
levage…
•Machines
démarrant en charge
(treuils, pompes à
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  • 1. Module 106 : Analyse du fonctionnement des moteurs électriques à CC et à CA CF YM -CFMMER Objectif : développement des compétences nécessaires pour effectuer des installations avec des machines électriques ainsi que leurs commande électriques.
  • 2. Plan: Chapitre 1 : Machine à courant continu: I. Rappel sur les lois: II. Principe de fonctionnement: III. Construction d’une machine à courant continu: IV. Génératrice à courant continu : 4.1. Génératrice à excitation séparée: 4.2. Génératrice à excitation en série: 4.3. Génératrice à excitation « shunt »: 4.4. Génératrice à excitation composé: 4.5. Fonctionnement à vide : 4.6. Fonctionnement en charge: V. Moteur à courant continu: 5.1.Moteur à excitation séparée: 5.2.Moteur à excitation « shunt » : 5.3. Moteur à excitation série : 5.4. Moteur à excitation composée (compound): 5.5. Fonctionnement à vide : 5.6. Fonctionnement en charge:
  • 3. Généralités sur les machines électriques : Le but essentiel des machines électriques est la transformation de l'énergie d'une forme dans une autre, l'une au moins de ces formes étant électrique, l'autre pouvant être électrique ou mécanique. On peut, a priori, classer les machines électriques en trois catégories principales : Machine à Courant Continu Moteurs à Courant Alternatif Moteurs Spéciaux
  • 5. Moteurs à Courant Alternatif Moteurs asynchrone Moteurs synchrone
  • 6. Moteurs Spéciaux Moteurs Brushless Moteurs Pas à Pas Servomoteur Moteurs universel
  • 7. I. Rappel sur les lois de l’électromagnétisme : Un conducteur traversé par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force dont le sens est déterminée par la règle des trois doigts de la main droite. F: Force en Newtons B : Induction magnétique en teslas I : Intensité dans le conducteur en ampères L : Longueur du conducteur en mètres 1. 1.La loi de Laplace : F BxLxI Règle des 3 doigts de la main droite :(Règle de Flemming) courant – champ - force
  • 8. 1.2. Loi de Faraday: le déplacement d’un conducteur dans un champ magnétique induisait une tension électrique . On peut exprimer ainsi la loi de Faraday selon l’équation suivante : • B = densité de flux, en tesla, (T) ; • l = longueur en mètre du conducteur ; • v = vitesse rectiligne ou périphérique du conducteur en mètre par seconde, (m/s) ; • e = tension induite par le conducteur. e B l v   
  • 9. 1.3. Loi de Lenz: Une variation de flux magnétique à travers un circuit fermé donne naissance à un courant induit du à la force électromotrice engendrée par cette variation. e = - d  dt
  • 10. Machine à courant continu 1 Présentation générale La machine à courant continu est un convertisseur d'énergie, totalement réversible, elle peut fonctionner soit en moteur, convertissant de l'énergie électrique en énergie mécanique, soit en génératrice, convertissant de l'énergie mécanique en énergie électrique. Dans les deux cas un champ magnétique est nécessaire aux différentes conversions. Cette machine est donc un convertisseur électromécanique Conversion d’énergie 1. Symbole Une machine à courant continu peut fonctionner en moteur ou en génératrice. On dit qu’elle est réversible. Puissance Mécanique Pa(C,) Puissance électrique Pu(U,I) Puissance électrique Pa(U,I) Puissance Mécaniqu e Pu(C,)
  • 11. La machine CC comprend : •un circuit magnétique comportant une partie fixe, le stator, une partie tournant, le rotor et l’entrefer l’espace entre les deux parties. •une source de champ magnétique nommée l’inducteur (le stator) crée par un bobinage ou des aimants permanents •un circuit électrique induit (le rotor) subit les effets de ce champ magnétiques •le collecteur et les balais permettent d’accéder au circuit électrique rotorique Machine à courant continu Construction d’une machine à courant continu
  • 12. Fiche technique plaque signalétique Machine à courant continu
  • 14. Príncipe de fonctionnement L’inducteur (ou stator) crée un champ magnétique fixe B . Ce stator peut être à « aimants permanents » ou constitué d’électro-aimants. L’induit (ou rotor) porte des conducteurs parcourus par un courant continu (alimentation du moteur) ; ces spires, soumises à des forces (forces dites « de Laplace »), entraînent la rotation du rotor. Il en résulte une variation du flux du champ magnétique à travers chaque spire ; elle engendre une f.é.m. qui est « redressée » par l’ensemble {collecteur + balais}. Machine à courant continu
  • 15. Deux types d ’excitation sont utilisées, soit : A aimants permanents: Les pertes joules sont supprimées mais l ’excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût de aimants pénalise cette solution A enroulement et pièces polaires : Le réglage de l ’excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l’induit. Machine à courant continu
  • 16. 3.3.Les balais : Les balais assurent la liaison électrique ( contact glissant ) entre la partie fixe et la partie tournante. Pour des machines de forte puissance, la mise en parallèle des balais est alors nécessaire. Pour des raisons d’économie, ils doivent avoir une durée de vie aussi longue que possible et assurer un bon contact électrique. Différentes technologies existent : les balais au charbon dur, les graphitiques, les électro-graphitiques, et les métallo-graphitiques. Machine à courant continu
  • 17. 3.4. Collecteur: Le collecteur a pour fonction d’assurer la commutation du courant d’alimentation dans les conducteurs de l’induit. Il est essentiellement constitué par une juxtaposition cylindrique de lames de cuivre séparées par des lames isolantes. Chaque lame est reliée électriquement au bobinage induit.  Le dispositif collecteur/balais permet d’assurer la liaison de l’induit avec la source d’alimentation et aussi le redressement mécanique de la tension induite alternative. Machine à courant continu
  • 18. La force électromotrice : La valeur moyenne E de cette f.é.m. est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation Ω du rotor, au flux maximal du champ magnétique créé par l’inducteur à travers une spire et à une constante K qui dépend des caractéristiques de la conception du moteur (nombre de conducteurs, surface de chaque spire, nombre de paires de pôles,..) E = K φ Ω P: nombre de paire de pôles de l'induit N : nombre de conducteurs de l'induit a : nombre de paires de voies d'enroulement n : vitesse en (tr/s) Ø : flux en Webers (Wb) E  p 2a N p 2a avec K  N N.B Si l’inducteur n’est pas « à aimants permanents », l’alimentation de celui-ci aura un impact sur le champ magnétique donc sur le flux φ Machine à courant continu
  • 19. Couple électromagnétique Exemple pour une spire : les deux brins d’une spire placées dans le champ magnétique B , subissent des forces de Laplace F1 et F2 formant un couple de force ( F1  F2  I.l  B ) La loi de Laplace . Pour une spire :   2rF  2r l BI  S B I  I Tem  K φ I K est la même constante que dans la formule de la f.é.m.: E  K φ  Si de plus la machine fonctionne à flux constant : Tem  K' I I en A Tem en N.m φ en Wb Machine à courant continu
  • 20. Puissance électromagnétique Si l’induit présente une f.é.m. E et s’il est parcouru par le courant I, il reçoit une puissance électromagnétique Pem=E.I D’après le principe de conservation de l’énergie cette puissance est égale à la puissance développée par le couple électromagnétique. Pem= E I =Tem la formule de la f.é.m.: E  K φ  la formule de la couple électromagnétique Tem  K φ I Pem en watts Machine à courant continu
  • 21. Couple utile, Puissance utile Les pertes mécaniques (frottement dans les paliers, action de l’aire de ventilation) et les pertes fer dans l’induit produisent un couple Cp appelé couple de pertes. Le couple utile disponible sur l’arbre du moteur sera exprimé par : T𝑢 = T𝑒𝑚 − T𝑝 La puissance utile développée par le moteur est donnée par: 𝑃𝑢 = T𝑢 .Ω Le rendement : Le rendement du moteur est donné par : 𝜂 = 𝑃𝑢 / 𝑃a Machine à courant continu
  • 22. Modèle équivalent de l’induit 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 Machine à courant continu
  • 23. L’induit (ou circuit de puissance ): Modèle équivalent de l’induit : L’induit va présenter une f.e.m. E et sa résistance de bobinage R. Mode moteur Mode génératrice • f.e.m. du à la rotation dans le champ inducteur (V). • R résistance des enroulements (Ω). • U tension d’alimentation de l’induit (V). • I courant dans l’induit (A). U = E+RI U = E - RI Machine à courant continu
  • 24. l’ inducteur: (ou circuit d’excitation ): Modèle équivalent de l’inducteur : Le bobinage inducteur alimenté sous tension continue ne présente que sa résistance de bobinage. (Valable uniquement dans le cas où l’inducteur est bobiné) . re :résistance de l’enroulement inducteur (Ω). Ue : Tension d’alimentation de l’inducteur (V). Ie :courant dans l’inducteur (A). Ue = re x Ie Machine à courant continu
  • 25. Nombre de paire de pôles de l'induit l’inducteur comporte de 2xP pôles nord et sud pour : • P=1 : machine bipolaire (2 pôles) • P=2 : machine tétrapolaire (4 pôles) • P=3 : machine hexapolaire (6 pôles) • P=4 : machine octopolaire (8 pôles) Ces pôles sont dits pôles principaux , constitués de noyaux massifs en acier doux, ils sont terminés par des épanouissements( ou cornes) polaires feuilletés pour réduire les pertes fer Machine à courant continu
  • 26. Nombre de paires de voies d'enroulement a : On représente un induit suivant le nombre de paire de voies d’enroulements a et le nombre total de conducteurs N : Exemple: Séparation de l’induit par deux voies d’enroulement Séparation de l’induit par quatre voies d’enroulement Machine à courant continu
  • 27. Les différents types de machines a courant continu Machine à courant continu
  • 28. IV. Génératrice à courant continu : Suivant la façon dont est alimenté le circuit inducteur on distingue quatre types d’excitation : 4.1. Génératrice à excitation séparée (indépendante) : 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. + _ Machine à courant continu
  • 29. IV. Génératrice à courant continu : 4.2. Génératrice à excitation en série : l'enroulement inducteur (ou d'excitation) est en série avec l'enroulement de l'induit ; avec l'identification des bornes de l'inducteur série par D1 et D2. Les deux circuits sont parcourus par le même courant (I), celui débité par la génératrice Notez que, puisque la tension (U) d'une génératrice à excitation en série varie considérablement avec la charge, les génératrices de ce type ne sont plus utilisées. Machine à courant continu
  • 30. IV. Génératrice à courant continu : 4.3. Génératrice à excitation en shunt : •La génératrice à excitation en dérivation ou excitation shunt est une machine très répandue, car elle n'exige pas une source spéciale de courant d'excitation. On dit qu'elle est auto-excitée •Le bobinage inducteur (bornes E1 et E2), est raccordé directement en parallèle à l'induit (bornes A1 et A2). •La tension (U) aux bornes de la génératrice est égale à celle de l'induit et à celle de l'inducteur. Le courant d'excitation (iexc) est tiré de l'induit. Machine à courant continu
  • 31. IV. Génératrice à courant continu : 4.4. Génératrice à excitation composée : courte dérivation Longue dérivation Le flux inducteur est crée à la fois par : •Un enroulement série (D1-D2) connecté en série avec l’induit. •Un enroulement shunt (E1-E2) connecté en parallèle avec l’induit. •D'un montage à l'autre les différences théoriques sont faibles et les différences pratiques sont négligeables. La génératrice à les mêmes propriétés dans les deux cas..
  • 32. Les différentes pertes PC = Pfer + Pméca les pertes dites « constantes » ou « collectives ». C’est à dire que si le moteur travaille à vitesse et flux constants Couple de pertes TP p C P k   Donc : T    k le moment du couple de pertes est une caractéristique constante du moteur quelle que soit la vitesse. Type de pertes effet Joule Pertes ferro- magnétiques pertes mécaniques Cause résistance induit et inducteur hystérésis, courants de Foucault frottements Remède ventilation matériaux (Fe,Si) feuilletage roulements, lubrifiants utile pertes absorbée P P UI P    TP  PC  Machine à courant continu
  • 33. Démarrage de moteur a CC Surintensité de démarrage (exemple) Soient : Tdc le couple de démarrage imposé par la charge (N.m); Td le couple de démarrage du moteur (N.m); Id le courant de démarrage (A); d R R Au démarrage :   0  E  0 et donc I  Un  E  Un  240 A >> In Dès que le moteur commence à tourner, E augmente et Id diminue jusqu’à In. Au démarrage en charge : il faut que Td > Tdc il faut donc un courant de décollage Id  Td  Tdc K K On constate qu’étant donné la pointe de courant de démarrage, le moteur à excitation indépendante peut démarrer en charge. Consequences La pointe de courant de 240 A va provoquer la détérioration de l’induit par échauffement excessif par effet joule. Il faut limiter le courant de démarrage : en générale on accepte Id  1, 5 In Solutions pour limiter le courant Solution 1 : on utilise des rhéostats de démarrage. Cette solution est peu économique. Dans notre exemple Un  (R  Rh )Id  (R  Rh )1,5In h Soit : R  Un 1,5In  R  7  Etude de cas Un =240 V la tension d’alimentation nominale de l’induit ; In = 20 Ale courant nominal dans l’induit ; R=1  la résistance de l’induit Solution 2 : on démarre sous une tension d’alimentation réduite. Dans notre exemple Ud  RId  R.1,5.In  30 V Machine à courant continu
  • 34. Fonctionnement à vide A vide la seule puissance absorbée sert à compenser les pertes. La puissance utile est nulle. I0 << In  RI0 << U et finalement Ω=(U-R. I0)/ K φ Qui égale a Ω=U/ K φ La vitesse à vide se règle en fonction de la tension d’alimentation ou du flux inducteur φ Attention : à vide, il ne faut jamais supprimer le courant d’excitation Ie lorsque l’induit est sous tension, car le moteur peut s’emballer. En effet si Ie  0 alors φ  0 et 0  . Fonctionnement à flux constant •   U  RI0  U • K K La caractéristique passe approximativement par zéro. U (V) 0 (rad.s-1)  ou Ie = Cte R.I0 << Un 2 2  K U avec K  1 K U 2 > U 1 U 1 0 à vide A chaque tension d’induit correspond une droite dont la pente ne dépend que de l’excitation. Pour une excitation donnée T u v = 0 W v = U 1 / k T u (N.m) Machine à courant continu
  • 35. Fonctionnement en charge Exprimons la vitesse de rotation en fonction de la tension d’alimentation : E K K 2 2      U  RI  K (U  RI) avec K  1 K  cte La vitesse dépend de : - la tension d’alimentation U ; - l’intensité du courant I imposée par le moment du couple résistant. U reste tout de même grand devant R.I. En conséquence la vitesse de rotation est essentiellement fixée par la tension d’alimentation U et varie très peut en fonction du courant, c’est-à-dire de la charge. Tu (N.m) caractéristique mécaniquedumoteur: la vitessevarietrèspeu avec la charge U = cste Exprimons le courant en fonction du couple utile : I  Tem  Tu  Tp K K  (rad.s-1) Le couple de perte Tp reste constant et faible devant le couple de charge Tr. Mode de fonctionnement L’alimentation de l’induit sous tension réglable présente deux avantages : - mise en vitesse progressive avec suppression de la surintensité ; - vitesse largement variable. C’est le mode de fonctionnement utilisé lorsque la vitesse doit varier. Machine à courant continu
  • 36. Moteur à excitation indépendante (ou excitation séparée) Point de fonctionnement Une charge oppose au moteur un couple résistant Tr. Pour que le moteur puisse entraîner cette charge, le moteur doit fournir un couple utile Tu de telle sorte que : Tu  Tr Cette équation détermine le point de fonctionnement du moteur.  (rad.s-1 ) Tu caractéristique mécanique du moteur Tr caractéristique mécanique de la charge Point d’intersection = point de fonctionnement Bilan énergétique T (N.m) Pa la puissance absorbée (W) Pem la puissance électromagnétique (W) ; Pu la puissance utile (W); Pje les pertes joules à l’inducteur (W); Pj les pertes joules à l’induit (W) ; Pfer les pertes ferromagnétiques (W) ; Pméca les pertes mécaniques (W) ; E la f.é.m. (V) ; I le courant d’induit (A) ; Tem le couple électromagnétique (N.m) ; Tu le couple utile (N.m) ;  la vitesse de rotation (rad.s-1 ) ; R la résistance d’induit () ; r la résistance d’inducteur (). Pa =U.I+Ue.Ie Pem Pu =Tu. =E.I=Tem. e Pje = Ue.Ie = r.I 2 Pj = R.I 2 Pfer Pméca Pc Ue la tension de l’inducteur (V) ; Ie le courant d’inducteur (A) ; Machine à courant continu
  • 37. Pertes constantes PC  Pem  PU D’après le diagramme des puissances, Pc est la différence entre la puissance électromagnétique et la puissance utile. En effet : PC Pfer  Pméca  Pem  PU Couple de pertes TP P PC  T   T  T em U P  T    P P  P P P C em U em U      T  T em U Rendement a u Cette méthode consiste à mesurer P et P .   Pu  Tu. P a U.I  Pje Exploitation du diagramme : par exemple : Pem = Pa - Pje - Pj ; PC = Pem - Pu Machine à courant continu
  • 38. • M0TEUR A CC 1. Moteur à excitation separée. 2. Moteur à excitation serie. 3. Moteur à excitation paralléle. 4. Moteur à excitation composée. 5. Moteur a aimant permanent. MCC Energie Electrique Energie Mecanique Pertes
  • 39. Moteur à excitation indépendante (ou excitation séparée) Machine à courant continu
  • 40. Moteur à excitation série On a : I  Ie et comme   Cste.Ie (hors saturation) Modèle équivalent et caractéristiques Caractéristiques : U  E  Rt I E  kI em T  kI2 Schéma équivalent : Rt  r  R Fonctionnement Fonctionnement à vide La charge impose le courant : I  Tem k Si Tem tend vers 0, I tend aussi vers 0 et  tend vers l’infini (si l’on ne tient pas compte des frottements). Alimenté sous tension nominale, le moteur série ne doit jamais fonctionner à vide au risque de s’emballer. I (A)  (rad.s-1) Machine à courant continu
  • 41. Démarrage Tension de démarrage : Comme pour le moteur à excitation indépendante, il est préférable de démarrer sous tension d’induit réduite. En effet au démarrage :   0  E  0  I  U Rt Couple de démarrage : Le moteur série peut démarrer en charge. Supposons que l’on limite le courant de démarrage Id à 1,5 fois le courant nominal In. Excitation indépendante : Td  KId  1,5KIn  1,5Tn Excitation série : T  kI2  k(1,5I )2  2,25kI2  2,25T d d d d n Pour les mêmes conditions, le moteur série possède un meilleur couple de démarrage que le moteur à excitation indépendante. Moteur à excitation indépendante (ou excitation séparée) em T  kI2 T  T  T u em p T (N.m) Tem Tu saturation, la relation T=knI2’esptluvsalable Caractéristique T=f(I) Machine à courant continu
  • 42. Moteur à excitation série Machine à courant continu
  • 43. Moteur à excitation shunt Les enroulements de l’induit et de l’inducteur sont est connectés en parallèle : a. Modéle equivalent • Si on coupe accidentellement le courant d’excitation ( iex = 0) la vitesse augmente très rapidement est le moteur s’emballe Ia U Iex Re U I Ia Iex I Modéle equivalent b. Tension d’alimentation : U=E+Ra . I avec I= Ia+Iex c. Vitesse de rotation Ω=E/KФ • Si on coupe accidentellement le courant d’excitation ( iex = 0; Ф=0 ) la vitesse augmente très rapidement est le moteur s’emballe Ω=E/ 0 Ω=+∞ Remarque •Les caractéristiques sont identiques à celles d’un moteur à excitation séparée. Symbole Machine à courant continu Machine à courant continu
  • 44. Bilan de puissance Pa=U.I Pem=E.I Pu=Tu.Ω Pj induit=Ra.I²a Pj ex=Rs.I²ex Pc=pm+pfer Machine à courant continu
  • 45. Moteur à aiment permanent a. Modéle equivalent a. Tension aux bornes de l’induit U=E+Ra . Ia b. La force contre electromotrice E=K.Ф.Ω le moteur à aiment permanent est à flux constant Ф=k Alors la f.c.é.m. est directement proportionnel à la vitesse de rotation E=K’.Ω avec K’=K.k N S Modéle equivalent Symbole U U U Machine à courant continu
  • 46. Bilan de puissance Les pertes par effet de joule inducteur sont suprimés car l’inducteur est à aiment permanent pjex=0 Pa=U.Ia Pem=E.Ia Pu=Tu.Ω Pj induit=Ra.I²a Pc=pm+pfer Machine à courant continu
  • 47. + BILAN DES PUISSANCES Génératrice à excitation indépendant Machine à courant continu
  • 48. Bilan des puissances Génératrice à excitation en shunt Machine à courant continu
  • 49. Bilan des puissances Génératrice à excitation série
  • 50. Bilan des puissances Génératrice à excitation composée (courte dérivation)
  • 51. Bilan des puissances Génératrice à excitation composée (langue dérivation)
  • 52. BILAN DES PUISSANCES • Toute la puissance absorbée par l’inducteur est entièrement consommée par l’effet joule. + •Tu = Tem - Tc •le rendement électrique : e = Pem/Pa • le rendement industriel :  = Pu/Pa Le rendement industriel , tenant compte des pertes constantes , est toujours inferieur au rendement électrique .
  • 53. Comparaison entre les différents types de moteurs a courant continu: Série Shunt Compound 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 •Vitesse sensiblement constante et facile à Régler. •Degré de stabilité élevé •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 •Traction électrique. •Démarreur d’automobile…. •Machines outils. •Appareils de levage… •Machines démarrant en charge (treuils, pompes à piston)