Ch 7 Moteur à courant continu Principe et constitution d’un moteur à courant continu ( MCC ) 1.1 Principe Une machine à courant continu peut fonctionner en: • moteur; elle reçoit de l’énergie électrique; • génératrice par apparition d’une f.é.m. induite aux bornes d’un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique. C’est un convertisseur d’énergie réversible. Moteur Génératrice 1.2 Constitution; f.é.m. Un moteur est constitué de : Énergie électrique Énergie mécanique

• un stator ou un inducteur; • un rotor ou un induit. Le rotor est séparé du stator par un entrefer. L’ensemble {stator,entrefer,rotor } constitue le circuit magnétique. Les bobines enroulées autour du noyau du stator et parcourues par un courant ie sont la source de champ magnétique inducteur. Le rotor contient des conducteurs logés dans des encoches. Lorsque ces conducteurs sont parcourus par un courant et qu’ils sont placés dans le champ magnétique produit par l’inducteur, il existe une force de Laplace ( F = BIlsinα) qui fait tourner le rotor . Les conducteurs du rotor sont alors le siège d’une f.é.m. induite e alternative dont le sens est indiqué par la loi de LENZ. 2. Modèle électrique de l’induit en régime permanent

Modèle de l’induit I R E U Le moteur reçoit une puissance électrique : UI Il apparaît une f.é.m. induite aux bornes de l’induit qui tourne dans le champ magnétique de l’inducteur. On montre que : E ( en V ) est proportionnel à Φ et à Ω. Φ ( en Wb ) : flux utile sous chaque pôle inducteur. Ω ( en rad/s ) : vitesse de rotation de l’induit ( donc du moteur ). K ( en V.Wb-1.rad-1.s ) : c’est une constante caractéristique du moteur. R ( en Ω ) : résistance de l’induit que l’on mesure à chaud. Elle a souvent une valeur faible. Exercice 1 ( 1.1 et 1.2 ) E = KΦΩ

3. Couple électromagnétique Puissance électromagnétique de la machine : Pem = EI Pem ( en W ) ; E ( en V ) ; I ( en A ). Le moment du couple électromagnétique Tem représente la somme de tous les moments des couples des forces de Laplace. La puissance électromagnétique est développée par le couple Tem tournant à la vitesse Ω. TemΩ = EI Tem = Comme E = KΦΩ Tem ( en N.m ) ; I ( en A ) ; Φ( en Wb ). Ex 1 ( 1.3 ) ; Ex2 Tem = KΦI

4. Moteur à excitation indépendante Il existe plusieurs types d’excitations. On travaillera avec une excitation indépendante: la bobine d’excitation est sur l’inducteur et indépendant de l’induit. Une variante : l’excitation est fournie par un aimant permanent: le flux Φ est constant. 4.1 Modèle du moteur et vitesse de rotation ie ( ou J ) I R U ue ( ou V ) r E INDUCTEUR INDUIT E = KΦΩ U = KΦΩ + RI U = E + RI ue = r ie

4.2 Caractéristique de vitesse Ω On travaille à : Ω0 U = UN = cte; UN : tension nominale du moteur. Φ = ΦN = cte ( cela veut dire que ie = cte ). 0 I0 I ( en A ) Rq : I dépend de la charge ( charge importante, I important ). A vide, on a un courant I0 << IN ; on a donc RI0 << U et Ω0 = On a en définitive : Ω augmente fortement lorsque Φ ( donc ie ) diminue: On ne doit pas annuler le flux inducteur d’un moteur en marche. Ω = Ω0 -

4.3 Valeurs nominales Ce sont des valeurs de fonctionnement normal d’un moteur. Exemple d’un moteur : Ue = 220 V; ie = 0,5 A; UN = 240 V; IN = 20 A ; n = 1500 tr/min ( soit Ω = 157 rad/s) TUN = 25 N.m ; K = 70 V.Wb-1.rad-1.s ; R = 1,0 Ω ( température de fonctionnement ); Iv ( ou I0 ) = 2,0 A; flux maximal utile sous un pôle : ΦN = 20 mWb. 4.4 Couple moteur. Caractéristique mécanique Les pertes magnétiques et mécaniques : Pc ; Pc ( en W ) Le couple des pertes magnétiques et mécaniques : Tc et Tc = Tc est constant si Pc est proportionnel à Ω.

Couple utile : Tu = Couple électromagnétique : Tem = La caractéristique mécanique donne la variation de Tu ( ou de Tem ) en fonction de Ω. Tu, Tem ( N.m ) Tu est une fonction décroissante de Ω. U = cte. Tp 0 Ω0 Ω ( en rad/s ) Si l’on change la valeur de la tension U, la caractéristique se déplace parallèlement à elle-même. Tu = KΦI - Tp

4.5 Point de fonctionnement Ω Tu = Tr Tr : moment du couple résistant de la charge. On trace sur le graphique Tu (Ω ) et Tr (Ω ). Le point de fonctionnement, c’est le point d’intersection de Tu (Ω ) et Tr (Ω ). Exemple : Ω (en rad/s ) 90 94,2 98,4 104,7 110 Tu ( en N.m ) 28,4 27,8 27,4 26,6 26,2 Caractéristique mécanique d’un moteur. Si aux bornes de ce moteur, on place une charge de moment de couple résistant constant Tr = 26,8 N.m, on aura Tu = Tr = 26,8 N.m et Ω = 102,6rad/s. Moteur Charge

5. Bilan énergétique et rendement Puissance absorbée ( ou consommée ou reçue ) : Pa Pa = UI + ue ie Pertes : • Pji = R I2 : Pertes Joule dans l’induit ( Pji en Watt ) • Pje = ue ie = r ie2 : Pertes Joule dans l’inducteur ( Pje en W ) • Pm : pertes mécaniques. • Pf : pertes magnétiques P0 =Pc = Pv = UvIv = Pm + Pf ( Puissance mesurée lorsque le moteur fonctionne à vide sous la tension Uv =UN ). Puissance électromagnétique : Pem Puissance utile : Pu Pem = EI = Tem Ω Pu = Tu Ω

Pji Pm Pje Pf Pem = Pa - Pj Pj = Pji + Pje ( induit + inducteur ) Pu = Pem - ( Pm + Pf ) Pc = Pm + Pf : Pc pertes collectives 5.2 Rendement Le rendement est maximal lorsque le moteur fonctionne dans les conditions indiquées sur la plaque signalétique c-à-d les conditions nominales. On mesure le rendement par la méthode indirecte des pertes séparées. Pa Pem = EI Pu = TuΩ η =