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Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu
CHAPITRE N°6
TITRE: MOTEURS A COURANT CONTINU
FONCTION : Convertir l’énergie (II 2.3.6)
Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique
moteur à courant continu_V2k5.doc
COMPETENCES VISEES:
-Justifier le choix du convertisseur d’énergie,.
- Analyser le circuit de puissance, et identifier les éléments externes des boucles de rétroaction.
- Vérifier à l’aide de mesurages pertinents les performances attendues
Les machines à courant continu sont réversibles ; de
génératrices elles peuvent devenir moteurs. À l'heure
actuelle, les génératrices sont peu utilisées, en
revanche, les moteurs sont très employés dans les
domaines qui nécessitent une vitesse variable, la
traction électrique (T.G.V.), le levage (ascenseur).
1 - RAPPELS D’ELECTROTECHNIQUE
1.1 Principe :
a) Création d'une force électromotrice :
Si l'on considère le conducteur 1 placé sur l'induit (Fig. 1) qui tourne, ce conducteur coupe
les lignes de champ, il est alors le siège d'une force électromotrice (f.é.m.) dont le sens est
donné par la règle des trois doigts de la main gauche (fig. 2).
Si l'on considère la spire conducteur (1) et conducteur (2) diamétralement opposés, les deux
forces électromotrices s'ajoutent, on peut fermer le circuit. On a réalisé un générateur de
courant.
b) Valeur de la f.é.m :
Elle est donnée par la relation d'électrotechnique :
E
p
a
N n= . .Φ
E = force électromotrice en volts
N = nombre de conducteurs de l'induit
n = vitesse de rotation en tours/s
Φ = flux inducteur en webers
p = nombre de paires de pôles
Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 1
Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu
a = nombre de voies d’enroulements
1.2 Réversibilité :
Si on fait passer un courant dans la spire (fig. 1), en présence du flux inducteur, une force
agit sur les conducteurs et fait tourner l'induit.(Fig. 3). On a réalisé ainsi un moteur à courant
continu. La machine à courant continu fonctionne aussi bien en génératrice quand elle est
entraînée, qu'en moteur quand elle est alimentée en courant continu : c'est la réversibilité.
1.3 Force contre électromotrice (f.c.é.m) :
Un moteur en rotation présente une force contre-électromotrice,
La formule de la force contre-électromotrice est:
E
p
a
N n' . .= Φ
E’ = force contre électromotrice en volts
N = nombre de conducteurs de l'induit
n = vitesse de rotation en tours/s
Φ = flux inducteur en webers
p = nombre de paires de pôles
a = nombre de voies d’enroulements
1.4 Loi d’Ohm appliquée aux générateurs :
La loi d'Ohm s'applique selon le schéma (fig. 4).
U E R I= +' .
U = tension aux bornes du moteur en volts
E’ = force contre-électromotrice en volts
I = courant absorbé en ampères
R = résistance interne du moteur en ohms
1.5 Vitesse de rotation :
A l’aide des relations précédentes,
E
p
a
N n' .= Φ. et U E R I= +' .
on peut écrire :
n
E
p
a
N
=
'
.Φ
d’où n
a
p
U R I
N
= ×
− .
.Φ
Remarque :
Lorsque le flux inducteur s’annule, la vitesse tend vers l’infini; par conséquent, il ne faut
jamais alimenter l’induit d’un moteur à courant continu sans l’existence d’un courant
d’excitation.
1.6 Puissance :
a) Puissance électrique utile :
La puissance électrique est : Pe = E’ . I
ou encore
P
p
a
N n I E Ie = =. . . '.Φ
Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 2
Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu
avec Pe : en Watts
E’ : en Volts
I : en Ampères
b) Puissance électrique absorbée :
C’est la totalité de la puissance prise au réseau.
P = U . I
1.7 Couple moteur :
C’est le couple mesuré sur l’arbre, et donné par la formule P = T . W
T = couple moteur en Newton . mètre (N.m)
W = vitesse angulaire en radians par secondes (rad/s)
P = puissance mécanique en Watts (W)
T
P
p
a
N n I
n
p
a
N
Ie
= = =
Ω
Φ
Φ
. . .
. .
.
.
. .
2 2π π
Si on pose :k
p
a
N
= .
.2 π
On obtient T = k . Φ . I
Le couple utile est inférieur du fait des
pertes mécaniques
1.8 Rendement :
Le bilan des puissances fait apparaître le rendement d’un moteur à courant continu , en
tenant compte des pertes fer (dans le circuit magnétique), des pertes joules (résistance des
enroulements), des pertes mécaniques (frottements) .(Fig. 5)
η = =
+P utile
P absorbée
E I pertes
U I
.
.
'.
.
2 - CONSTRUCTION
2.1 Constitution générale :
Une machine à courant continu est constituée de la même façon qu’elle soit génératrice ou
moteur , elle possède : (Fig. 5)
- Un circuit magnétique pour canaliser le flux,
- Un circuit électrique inducteur pour produire le flux, et un circuit électrique induit ,
- une partie mécanique pour fixer les différents organes les uns par rapport aux autres .
voir la Fig. 5 qui représente une vue éclatée d’une machine à courant continu.
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Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu
2.2 Circuit magnétique :
Le circuit magnétique se compose de deux parties,
- L’inducteur , qui produit le flux qui constitue la partie fixe
- L’induit , mobile en rotation , qui est le siège de la force magnétomotrice, avec entre ces
deux parties l’entrefer (Fig. 7)
(Fig. 7) Trajet du flux magnétique.
a) Pôles inducteurs :
Le noyau du pôle peut être massif car il est parcouru par un flux constant. Souvent, on
préfère réaliser le pôle en un assemblage de tôles magnétiques (acier à 3,5 % de
silicium).(Fig. 7)
(Fig. 7) Partie magnétique d’un pôle inducteur
b) Pôles auxiliaires ou de commutation:
Placés entre les pôles principaux, le flux qu'ils produisent facilite la commutation. . Ils
suppriment les étincelles aux balais, ces étincelles étant produites par le renversement du
sens du courant dans les sections court-circuitées par les balais. L'enroulement de ces pôles
est en série avec l'induit.
c) La carcasse ou culasse :
Elle assure simultanément deux fonctions:
- Magnétique: Elle permet aux lignes de force du champ magnétique de se refermer, d'où
une section minimale à respecter et l'emploi de matériaux tels que l'acier moulé ou l'acier
forgé.
- Mécanique: C'est le bâti de la machine sur lequel viennent se fixer les pôles, les flasques,
la plaque à bornes, etc...
2.3 Circuit électrique :
a) Bobines inductrices :
Elles sont destinées à produire le flux inducteur. La puissance d'excitation est d'environ 2 à
3 % de la puissance totale; elle peut aller jusqu'à 5 % pour les petites machines (Fig. 10)
On distingue l'enroulement d'excitation monté en dérivation sur l'induit (excitation shunt),
grand nombre de spires de fil fin, de l'enroulement d'excitation en série, petit nombre de
spires, de gros fil .
Remarque :Ne pas confondre pôles de commutation et pôles de compensation, ces derniers
ayant pour but de combattre la réaction magnétique d'induit .
d). Circuit magnétique tournant :
Le flux est variable à chaque tour, d’ou la
nécessité de feuilleter le circuit magnétique
pour diminuer les pertes par hystérésis et
courants de Foucault (tôle à 3 % de silicium,
épaisseur 0,35 mm) .
b) Enroulement induit
Il se compose d'un certain nombre de sections formées de spires dont les extrémités sont
reliées à deux lames consécutives du collecteur.
c) Le collecteur :
Il assure la liaison à l’aide de balais entre les conducteurs tournants et le circuit extérieur fixe
et il transforme le courant alternatif induit dans les bobinages en courant continu.
Les balais assurent un contact glissant entre le collecteur entraîné en rotation et les
conducteurs allant à la plaque à bornes.
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Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu
Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 5
3 - CARACTERISTIQUES
L'étude comparative des courbes qui traduisent graphiquement les relations entre les
variables: courant absorbé, vitesse et couple moteur fait apparaître des différences entre les
moteurs à excitation dérivation ,et série .
3.1 Caractéristiques de vitesse: n = f (I)
Cette caractéristique correspond à l'équation de fonctionnement:
n
E
k
U R I
k
= =
−'
.
.
.Φ Φ
avec k
p
a
N= ×
3.2 Caractéristique de couple : T = f(I)
Le couple est proportionnel au flux et au courant absorbé,
Equation :
T = k’. Φ . Ι avec k
p
a
N
'
.
= ×
2 π
3.3 Caractéristique mécanique : T = f(n) .
Elles relient les grandeurs mécaniques mesurées sur l’arbre moteur . Ces valeurs sont
données Pour une valeur du courant I
3.4 Autres caractéristiques :
Un moteur à courant continu est caractérisé par :
- la puissance nominale en kW
- la tension d’induit , cette tension est en relation avec la tension du réseau monophasé ou
triphasé, le moteur étant souvent alimenté par un pont redresseur .
- la vitesse de rotation ,(mini et maxi)
- le couple (constant,ou mini et maxi)
- l’alimentation du circuit inducteur
L’alimentation à tension variable pour la vitesse variable des moteurs sera étudié en classe
terminale.
4 - DEMARRAGE DES MOTEURS
4.1 Principe :
Le courant absorbé par un moteur électrique en rotation est
donné par la loi d’Ohm :
U = E’ + R . I d’ou I
U E−
=
R
'
a) A la mise sous tension ,
la f.c.e.m. est nulle (moteur arrêté).L’intensité est très élevée,
puisque seule la résistance de l’induit limite le courant , on a
I = U / R
b) Pour limiter le courant à une valeur comprise entre 1,2 In < Id
< 2 In , on monte une résistance en série dans le circuit. La
valeur de cette résistance est tirée de la relation :
I
U
R R
d
h
=
+
d’ou R
U R I
I
h
d
d
=
− .
4.2 Démarrage manuel :
Le rhéostat de démarrage est toujours au maximum de
résistance au moment du décollage du moteur .
Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu
Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 6
4.3 Démarrage à contacteur :
a) Moteur à excitation en dérivation (fig. 22)
voir le schéma du circuit de puissance du moteur dérivation.
b) Moteur à excitation série (fig. 21) :
voir le schéma du circuit de puissance du moteur série.
Il ne faut en aucun cas couper le circuit d’excitation, surtout si la machine est à vide, car il y
à risque d’emballement
5 - EMPLOI ET IDENTIFICATION D’UN MOTEUR
5.1 Domaines d’emploi :
a) Moteur à excitation en dérivation :
Ce moteur est caractérisé par une vitesse constante, il est le plus souvent utilisé en
excitation indépendante, avec une régulation de vitesse.
b) Moteur à excitation série :
Ce moteur a un très fort couple de démarrage, il convient très bien pour toutes les
application de traction électrique, par contre il présente des risques d’emballement à vide.
5.2 Identification :
On relève sur la plaque signalétique les indications
analogues à celle des moteurs triphasé, avec des
particularités qui sont des Symboles électriques
- Puissance en kW, et vitesse en tr/min ou min-1
- Tension et intensité d’induit
- Tension et intensité d’excitation
Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu
Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 7
Fig. 21 Schéma du circuit de puissance du moteur série Fig 22 Schéma du moteur // ou dérivation

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Moteur à courant continu v2k5

  • 1. Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu CHAPITRE N°6 TITRE: MOTEURS A COURANT CONTINU FONCTION : Convertir l’énergie (II 2.3.6) Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique moteur à courant continu_V2k5.doc COMPETENCES VISEES: -Justifier le choix du convertisseur d’énergie,. - Analyser le circuit de puissance, et identifier les éléments externes des boucles de rétroaction. - Vérifier à l’aide de mesurages pertinents les performances attendues Les machines à courant continu sont réversibles ; de génératrices elles peuvent devenir moteurs. À l'heure actuelle, les génératrices sont peu utilisées, en revanche, les moteurs sont très employés dans les domaines qui nécessitent une vitesse variable, la traction électrique (T.G.V.), le levage (ascenseur). 1 - RAPPELS D’ELECTROTECHNIQUE 1.1 Principe : a) Création d'une force électromotrice : Si l'on considère le conducteur 1 placé sur l'induit (Fig. 1) qui tourne, ce conducteur coupe les lignes de champ, il est alors le siège d'une force électromotrice (f.é.m.) dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main gauche (fig. 2). Si l'on considère la spire conducteur (1) et conducteur (2) diamétralement opposés, les deux forces électromotrices s'ajoutent, on peut fermer le circuit. On a réalisé un générateur de courant. b) Valeur de la f.é.m : Elle est donnée par la relation d'électrotechnique : E p a N n= . .Φ E = force électromotrice en volts N = nombre de conducteurs de l'induit n = vitesse de rotation en tours/s Φ = flux inducteur en webers p = nombre de paires de pôles Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 1
  • 2. Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu a = nombre de voies d’enroulements 1.2 Réversibilité : Si on fait passer un courant dans la spire (fig. 1), en présence du flux inducteur, une force agit sur les conducteurs et fait tourner l'induit.(Fig. 3). On a réalisé ainsi un moteur à courant continu. La machine à courant continu fonctionne aussi bien en génératrice quand elle est entraînée, qu'en moteur quand elle est alimentée en courant continu : c'est la réversibilité. 1.3 Force contre électromotrice (f.c.é.m) : Un moteur en rotation présente une force contre-électromotrice, La formule de la force contre-électromotrice est: E p a N n' . .= Φ E’ = force contre électromotrice en volts N = nombre de conducteurs de l'induit n = vitesse de rotation en tours/s Φ = flux inducteur en webers p = nombre de paires de pôles a = nombre de voies d’enroulements 1.4 Loi d’Ohm appliquée aux générateurs : La loi d'Ohm s'applique selon le schéma (fig. 4). U E R I= +' . U = tension aux bornes du moteur en volts E’ = force contre-électromotrice en volts I = courant absorbé en ampères R = résistance interne du moteur en ohms 1.5 Vitesse de rotation : A l’aide des relations précédentes, E p a N n' .= Φ. et U E R I= +' . on peut écrire : n E p a N = ' .Φ d’où n a p U R I N = × − . .Φ Remarque : Lorsque le flux inducteur s’annule, la vitesse tend vers l’infini; par conséquent, il ne faut jamais alimenter l’induit d’un moteur à courant continu sans l’existence d’un courant d’excitation. 1.6 Puissance : a) Puissance électrique utile : La puissance électrique est : Pe = E’ . I ou encore P p a N n I E Ie = =. . . '.Φ Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 2
  • 3. Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu avec Pe : en Watts E’ : en Volts I : en Ampères b) Puissance électrique absorbée : C’est la totalité de la puissance prise au réseau. P = U . I 1.7 Couple moteur : C’est le couple mesuré sur l’arbre, et donné par la formule P = T . W T = couple moteur en Newton . mètre (N.m) W = vitesse angulaire en radians par secondes (rad/s) P = puissance mécanique en Watts (W) T P p a N n I n p a N Ie = = = Ω Φ Φ . . . . . . . . . 2 2π π Si on pose :k p a N = . .2 π On obtient T = k . Φ . I Le couple utile est inférieur du fait des pertes mécaniques 1.8 Rendement : Le bilan des puissances fait apparaître le rendement d’un moteur à courant continu , en tenant compte des pertes fer (dans le circuit magnétique), des pertes joules (résistance des enroulements), des pertes mécaniques (frottements) .(Fig. 5) η = = +P utile P absorbée E I pertes U I . . '. . 2 - CONSTRUCTION 2.1 Constitution générale : Une machine à courant continu est constituée de la même façon qu’elle soit génératrice ou moteur , elle possède : (Fig. 5) - Un circuit magnétique pour canaliser le flux, - Un circuit électrique inducteur pour produire le flux, et un circuit électrique induit , - une partie mécanique pour fixer les différents organes les uns par rapport aux autres . voir la Fig. 5 qui représente une vue éclatée d’une machine à courant continu. Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 3
  • 4. Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu 2.2 Circuit magnétique : Le circuit magnétique se compose de deux parties, - L’inducteur , qui produit le flux qui constitue la partie fixe - L’induit , mobile en rotation , qui est le siège de la force magnétomotrice, avec entre ces deux parties l’entrefer (Fig. 7) (Fig. 7) Trajet du flux magnétique. a) Pôles inducteurs : Le noyau du pôle peut être massif car il est parcouru par un flux constant. Souvent, on préfère réaliser le pôle en un assemblage de tôles magnétiques (acier à 3,5 % de silicium).(Fig. 7) (Fig. 7) Partie magnétique d’un pôle inducteur b) Pôles auxiliaires ou de commutation: Placés entre les pôles principaux, le flux qu'ils produisent facilite la commutation. . Ils suppriment les étincelles aux balais, ces étincelles étant produites par le renversement du sens du courant dans les sections court-circuitées par les balais. L'enroulement de ces pôles est en série avec l'induit. c) La carcasse ou culasse : Elle assure simultanément deux fonctions: - Magnétique: Elle permet aux lignes de force du champ magnétique de se refermer, d'où une section minimale à respecter et l'emploi de matériaux tels que l'acier moulé ou l'acier forgé. - Mécanique: C'est le bâti de la machine sur lequel viennent se fixer les pôles, les flasques, la plaque à bornes, etc... 2.3 Circuit électrique : a) Bobines inductrices : Elles sont destinées à produire le flux inducteur. La puissance d'excitation est d'environ 2 à 3 % de la puissance totale; elle peut aller jusqu'à 5 % pour les petites machines (Fig. 10) On distingue l'enroulement d'excitation monté en dérivation sur l'induit (excitation shunt), grand nombre de spires de fil fin, de l'enroulement d'excitation en série, petit nombre de spires, de gros fil . Remarque :Ne pas confondre pôles de commutation et pôles de compensation, ces derniers ayant pour but de combattre la réaction magnétique d'induit . d). Circuit magnétique tournant : Le flux est variable à chaque tour, d’ou la nécessité de feuilleter le circuit magnétique pour diminuer les pertes par hystérésis et courants de Foucault (tôle à 3 % de silicium, épaisseur 0,35 mm) . b) Enroulement induit Il se compose d'un certain nombre de sections formées de spires dont les extrémités sont reliées à deux lames consécutives du collecteur. c) Le collecteur : Il assure la liaison à l’aide de balais entre les conducteurs tournants et le circuit extérieur fixe et il transforme le courant alternatif induit dans les bobinages en courant continu. Les balais assurent un contact glissant entre le collecteur entraîné en rotation et les conducteurs allant à la plaque à bornes. Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 4
  • 5. Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 5 3 - CARACTERISTIQUES L'étude comparative des courbes qui traduisent graphiquement les relations entre les variables: courant absorbé, vitesse et couple moteur fait apparaître des différences entre les moteurs à excitation dérivation ,et série . 3.1 Caractéristiques de vitesse: n = f (I) Cette caractéristique correspond à l'équation de fonctionnement: n E k U R I k = = −' . . .Φ Φ avec k p a N= × 3.2 Caractéristique de couple : T = f(I) Le couple est proportionnel au flux et au courant absorbé, Equation : T = k’. Φ . Ι avec k p a N ' . = × 2 π 3.3 Caractéristique mécanique : T = f(n) . Elles relient les grandeurs mécaniques mesurées sur l’arbre moteur . Ces valeurs sont données Pour une valeur du courant I 3.4 Autres caractéristiques : Un moteur à courant continu est caractérisé par : - la puissance nominale en kW - la tension d’induit , cette tension est en relation avec la tension du réseau monophasé ou triphasé, le moteur étant souvent alimenté par un pont redresseur . - la vitesse de rotation ,(mini et maxi) - le couple (constant,ou mini et maxi) - l’alimentation du circuit inducteur L’alimentation à tension variable pour la vitesse variable des moteurs sera étudié en classe terminale. 4 - DEMARRAGE DES MOTEURS 4.1 Principe : Le courant absorbé par un moteur électrique en rotation est donné par la loi d’Ohm : U = E’ + R . I d’ou I U E− = R ' a) A la mise sous tension , la f.c.e.m. est nulle (moteur arrêté).L’intensité est très élevée, puisque seule la résistance de l’induit limite le courant , on a I = U / R b) Pour limiter le courant à une valeur comprise entre 1,2 In < Id < 2 In , on monte une résistance en série dans le circuit. La valeur de cette résistance est tirée de la relation : I U R R d h = + d’ou R U R I I h d d = − . 4.2 Démarrage manuel : Le rhéostat de démarrage est toujours au maximum de résistance au moment du décollage du moteur .
  • 6. Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 6 4.3 Démarrage à contacteur : a) Moteur à excitation en dérivation (fig. 22) voir le schéma du circuit de puissance du moteur dérivation. b) Moteur à excitation série (fig. 21) : voir le schéma du circuit de puissance du moteur série. Il ne faut en aucun cas couper le circuit d’excitation, surtout si la machine est à vide, car il y à risque d’emballement 5 - EMPLOI ET IDENTIFICATION D’UN MOTEUR 5.1 Domaines d’emploi : a) Moteur à excitation en dérivation : Ce moteur est caractérisé par une vitesse constante, il est le plus souvent utilisé en excitation indépendante, avec une régulation de vitesse. b) Moteur à excitation série : Ce moteur a un très fort couple de démarrage, il convient très bien pour toutes les application de traction électrique, par contre il présente des risques d’emballement à vide. 5.2 Identification : On relève sur la plaque signalétique les indications analogues à celle des moteurs triphasé, avec des particularités qui sont des Symboles électriques - Puissance en kW, et vitesse en tr/min ou min-1 - Tension et intensité d’induit - Tension et intensité d’excitation
  • 7. Electrotechnique : Chapitre 6 : Le moteur à courant continu Cours 1 GEL_v2k5 / NEY O. Lycée La Martinière Monplaisir Page 7 Fig. 21 Schéma du circuit de puissance du moteur série Fig 22 Schéma du moteur // ou dérivation