Chapitre n°2 machines à courant continu mcc 2ème année électricité électrotechnique by Abdellah DJELAILI

Cours d’électricité / électrotechnique

2ème année Electronique Médicale

Cours d’électricité / électrotechnique

Email (Campus numérique) abdellah.djelaili@cnldb.be

Cours d’électricité / électrotechnique Remarque Ces diapositives constituent un deuxième support de cours. Elles seront complétées par des démonstrations et explications en classe. Suivi des exercices en cours! La présence en cours est donc fortement conseillée ! Se présenter à la classe avant le début de la séance de cours.

Cours d’électricité / électrotechnique

Table des matières I. Electromagnétisme II. Machine à courant continu III. Machine AC III.1. Les transformateurs III.2. Moteur asynchrone III.3. Système triphasé

IV. Moteur pas-à-pas

Cours d’électricité / électrotechnique

Table des matières I. Electromagnétisme II. Machine à courant continu III. Machine AC III.1. Les transformateurs III.2. Moteur asynchrone III.3. Système triphasé

IV. Moteur pas-à-pas

Chapitre II Machine à courant continu I. Machine à courant continu 1. Description générale ; 2. Le rôle du collecteur ; 3. Enroulement d’induit ; 4. Expression de la f.é.m. ; 5. Expression du couple électromagnétique ; 6. L'inducteur ; 7. Réaction magnétique d'induit.

Chapitre II Machine Ă courant continu Les moteurs ĂŠlectriques

Chapitre II Machine à courant continu

Energie électrique

Forces électromagnétiques

Energie mécanique

Chapitre II Machine à courant continu

Energie mécanique

Création des f.e.m induites

Energie électrique

Chapitre II Machine Ă courant continu Stator Epanouissement polaire Rotor Collecteur Culasse Balais

Chapitre II Machine à courant continu Les parties principales: Inducteur: fixe  Culasse (acier coulé)  Deux pôles feuilletés  Bobines inductrices (Pôles N et S) Induit: mobile  Rotor feuilletés (courants de Foucault diminue)  Tourne dans un champ magnétique (PF et PM)  Encoches à la périphérie Collecteur:  Placé à l’extrémité (tourne avec Rotor)  Composé de lames de Cu isolé

Chapitre II Machine à courant continu Les parties principales: Balais:  Frottement sur le collecteur  Fixé à l’inducteur – porte balais  Rôle:  Alimenter l’induit du moteur M  Récolter la f.e.m produite par la G

Machine Ă courant continu

Chapitre II Machine Ă courant continu

Chapitre II Machine à courant continu Pôle

Chapitre II Machine Ă courant continu Encoches

Chapitre II Machine Ă courant continu

Chapitre II Machine à courant continu Force de Laplace: courant

 dF

 B

Chapitre II Machine à courant continu Force de Laplace: courant

 dF

 B

Chapitre II Machine à courant continu Force de Laplace: courant

   B dF = 0

Chapitre II Machine à courant continu   dF = 0

Principe :

courant

 dF

 B

 dF courant

  dF = 0

Chapitre II Machine à courant continu Force de Laplace: courant

courant

 dF

 B

 dF

courant

 B

   B dF = 0

Chapitre II Machine à courant continu 2. Rôle du collecteur : a.

Dynamo: Spire tournant à ω (champ fixe) ●

f.é.m alternative

Chapitre II Machine Ă courant continu

Soit un collecteur de deux lames : Lame 1 est nĂŠgative Lame 2 est positive

1 2

Chapitre II Machine à courant continu Le conducteur tourne: o Les lames changent de polarité (balais). o Les balais conservent la même polarités. o Nombres conducteurs et lames croît  V= constante. 2 1

Chapitre II Machine Ă courant continu a.

Moteur Fournir un travail extĂŠrieur : ramener 1 en A. Collecteur: inverse le sens au passage de la ligne neutre. A

2 1

Chapitre II Machine à courant continu

équivalent SchémaScéma fonctionnel d’une machine:

Circuit d’excitation (l’inducteur)

Circuit d’induit (Rotor)

Chapitre II Machine à courant continu Schéma électrique équivalent: I R

Schéma fonctionnel

E’

Schéma électrique équivalent en continu

Chapitre II Machine à courant continu Modes d’alimentation: 1. Excitation séparée - inducteur = circuit indépendant (donc 2 alimentations) - alimentation continue pour l’induit Rrotor

E’

Chapitre II Machine à courant continu 2. Excitation série - induit et inducteur dans le même circuit - une alimentation unique en continu Rrotor

E’

Rstato r

Chapitre II Machine à courant continu Equations électriques: Loi d’Ohm: U (V ) = E '+ RI

(convention récepteur)

excitation séparée : R = Rrotor excitation série : R = Rrotor + Rstator f.e.m induite: E ' (V ) = K ΦΩ E' Φ: flux à travers les spires de l’induit (Wb). Ω : vitesse de rotation (rad/s). K: constante. Vitesse de rotation: Ω = E’ / KE’ Φ = (U-RI) /KE’ Φ Ω(rad/s) = N(tr/mn).2π/60 = n(tr/s).2π

Chapitre II Machine à courant continu Bilan de puissance:

Pabsorbée = UI = Ppertes + Putile

Type de pertes Cause

Remède

Effet Joule

Pertes ferromagnétiques

pertes mécaniques

résistance induit et hystérésis, inducteur courants de Foucault

frottements

ventilation

roulements, lubrifiants

matériaux (Fe,Si) feuilletage

Chapitre II Machine à courant continu Représentation schématique du bilan de puissance

Pertes fer + Pertes méca = Pertes collectives = constante pour tout point de fonctionnement

Chapitre II Machine à courant continu Relation puissance – couple P

= C

. Ω

Puissance = couple . vitesse

Watts = (N.m) . (Rad/s) A tout terme de puissance on peut donc associer un couple

Chapitre II Machine à courant continu Couples: Relation de définition Couple moteur

Putile = Cmot . Ω

Couple de pertes collectives

Pfer + Pméca = Cpertes . Ω

Couple électromagnétique

Cemag = Cpertes + Cmot

Chapitre II Machine à courant continu Le rendement : • Définition générale Moteur à excitation série Moteur à excitation séparée : - inducteur à aimant permanent pas de pertes dans le circuit inducteur

- inducteur bobine pertes dans le circuit inducteur

Putile η= Pabsorbée Cmot ⋅ Ω η= UI Cmot ⋅ Ω η= UI

Cmot ⋅ Ω η= UI + PJ inducteur

Chapitre II Machine à courant continu 1. Moteur à courant continu excitation série: • Tension d’alimentation U = E '+ RI avec

•

f.e.m induite avec Vitesse

•

I stator = I rotor = I

E ' = K E 'ΦΩ

Φ =(machine αI non saturée) U − RI Ω= K E 'Φ

Couple électromagnétique

Cemag = K C ΦI

Chapitre II Machine à courant continu Fonctionnement moteur + charge à vitesse constante :

C r é s i s t a n t charge

= C m o t moteur

régime établi ou permanent

Crésis tan t = K C ΦI − C pertes , la charge impose le courant A vide, et si l’on néglige les pertes,

Crésis tan t = 0 ⇒ I = 0 ⇒ Ω = ∞

emballement du moteur 42

Chapitre II Machine à courant continu Pour régler la vitesse :

Ω =

U − RI K E 'Φ

Avec une alimentation variable il est possible de régler la vitesse. Remarque : si la machine est peu chargée, I et Φ sont faibles, et Ω devient très important Un moteur série ne doit pas fonctionner à vide

Chapitre II Machine à courant continu Phases du mouvement de la charge vitesse

t Accélération Régime établi C mot = C rés + C acc C mot = C rés couple d’accélération

Décélération C mot = C rés − C ral

définit le point de couple de fonctionnement ralentissement

Chapitre II Machine à courant continu Représentation couple – vitesse (caractéristique mécanique):

Cemag = C pertes + Cmot = K C ΦI U = E '+ RI = K E 'ΦΩ + RI

Φ = αI

Cmot

  U  − C pertes = K Cα ⋅   K E 'α Ω + R 

Chapitre II Machine à courant continu Cmot Si les pertes sont négligées : R = 0 et Cpertes = 0 Cmot varie en 1/Ω2

Ω Couple moteur élevé au démarrage, Exemple: fort couple + faible vitesse (traction, laminoirs) ● faible couple + forte vitesse (centrifugeuse)

Chapitre II Machine à courant continu 2. Moteur à courant continu excitation séparée: • Tension d’alimentation U = E '+ RI R = Rrotor

avec

•

f.e.m induite

E ' = K E 'ΦΩ

Φ est imposé par l’inducteur seul Vitesse

•

U − RI Ω= K E 'Φ

Couple électromagnétique

Cemag = K C ΦI 47

Chapitre II Machine à courant continu U = E '+ RI nulle au démarrage

U − E' U I= = ≈ quelques 100 A R R Au démarrage il y a surintensité Pour limiter la surintensité : • Augmenter Rrotor par un rhéostat de démarrage • Démarrer à tension U faible

Chapitre II Machine à courant continu Pour régler la vitesse :

Ω =

U − RI K E 'Φ

Avec une alimentation variable, il est possible de régler la vitesse (et de limiter la surintensité au démarrage) Remarque :

Cemag = K C ΦI = C pertes + Cmot = C pertes + Crésis tan t

I = f (Crésis tan t )

En régime permanent

Chapitre II Machine à courant continu Représentation couple – vitesse (caractéristique mécanique) : Cemag = C pertes + Cmot = K C ΦI

Cmot

U = E '+ RI = K E 'ΦΩ + RI Cmot

Ω

U − K E 'ΦΩ = KC Φ ⋅ − C pertes R

Machine à courant continu

Exercice 1: 1. Donner l’ensemble des éléments constituant la machine suivante:

Machine Ă courant continu

Machine à courant continu

Exercice 2: Machine à courant continu à excitation indépendante 1- Un moteur à excitation indépendante alimenté sous 220 V possède une résistance d’induit de 0,8 Ohms. A la charge nominale, l’induit consomme un courant de 15 A. Calculer la f.e.m. E du moteur. 2- La machine est maintenant utilisée en génératrice (dynamo). Elle débite un courant de 10 A sous 220 V. En déduire la f.e.m.

Machine à courant continu 1- Un moteur à excitation indépendante alimenté sous 220 V possède une résistance d’induit de 0,8 Ohms. A la charge nominale, l’induit consomme un courant de 15 A. Calculer la f.e.m. E du moteur. E = U – RI = 220 – 0,8x15 = 208 V (U > E en fonctionnement moteur) 2- La machine est maintenant utilisée en génératrice (dynamo). Elle débite un courant de 10 A sous 220 V. En déduire la f.e.m. E = U + RI = 220 + 0,8x10 = 228 V (E > U en fonctionnement génératrice)

Machine à courant continu

Exercice 3: Génératrice à courant continu à excitation indépendante Une génératrice à excitation indépendante fournit une f.e.m de 220 V pour un courant d’excitation de 3,5 A. La résistance de l’induit est de 90 m Ohms. Calculer la tension d’induit U lorsqu’elle débite 56 A dans le circuit de charge.

Machine à courant continu

Une génératrice à excitation indépendante fournit une f.e.m de 220 V pour un courant d’excitation de 3,5 A. La résistance de l’induit est de 90 m Ohms. Calculer la tension d’induit U lorsqu’elle débite 56 A dans le circuit de charge. U = E - RI = 220 - 0,090x56 = 215 V (U < E en fonctionnement génératrice)

Machine à courant continu

Exercice 4: Moteur à courant continu à excitation indépendante La plaque signalétique d’un moteur à courant continu à excitation indépendante indique : 1,12 kW 1200 tr/min induit 220 V 5,7 A excitation 220 V 0,30 A 57 kg 1- Calculer le couple utile nominal (en Nm). 2- Calculer le rendement nominal.

Machine à courant continu

Moteur à courant continu à excitation indépendante 1- Calculer le couple utile nominal (en Nm). 1,12×103/(1200×2π/60) = 1120 W/(125,7 rad/s) = 8,9 Nm 2- Calculer le rendement nominal. 1120/(220×5,7+220×0,3) = 1120/1320 = 84,8 %

Machine à courant continu

Exercice 5: Génératrice à courant continu à excitation indépendante La plaque signalétique d’une génératrice à courant continu à excitation indépendante indique : 11,2 Nm 1500 tr/min induit 220 V 6,8 A excitation 220 V 0,26 A masse 38 kg 1- Calculer la puissance mécanique consommée au fonctionnement nominal. 2- Calculer la puissance consommée par l’excitation. 3- Calculer la puissance utile. 4- En déduire le rendement nominal.

Machine à courant continu

Génératrice à courant continu à excitation indépendante 1- Calculer la puissance mécanique consommée au fonctionnement nominal. 11,2 x(1500 x 2π/60) = (11,2 Nm)x(157,1 rad/s) = 1,76 kW 2- Calculer la puissance consommée par l’excitation. 220 x 0,26 = 57 W 3- Calculer la puissance utile. 220 x 6,8 = 1,50 kW 4- En déduire le rendement nominal. 1500/(1760+57) = 82,4 %

Machine à courant continu • Bilan de puissance de la génératrice à excitation indépendante

- Puissance absorbée : puissance mécanique reçue + puissance consommée par l'inducteur : ui = ri² - Puissance utile (électrique) : UI (induit) • Rendement :

Machine à courant continu

Exercice 6: machine à courant continu Un moteur de puissance utile 3 kW tourne à 1500 tr/min. Calculer le couple utile en Nm.

Machine à courant continu

Exercice 6: machine à courant continu Un moteur de puissance utile 3 kW tourne à 1500 tr/min. Calculer le couple utile en Nm. Attention : Il faut exprimer la vitesse de rotation en radians par seconde. 3000/(1500 x 2p/60) = 19,1 Nm

Machine à courant continu

Exercice 7: machine à courant continu à excitation indépendante La force électromotrice d’une machine indépendante est de 210 V à 1500 tr/min.

excitation

Calculer la f.e.m pour une fréquence de rotation de 1000tr/min, le flux étant constant.

Machine à courant continu

Exercice 7: machine à courant continu à excitation indépendante La force électromotrice d’une machine indépendante est de 210 V à 1500 tr/min.

excitation

Calculer la f.e.m pour une fréquence de rotation de 1000 tr/min, le flux étant constant. : à flux constant, la f.e.m est proportionnelle à la vitesse de rotation. 210 x 1000/1500 = 140 V.

Machine à courant continu

Exercice 8: Machine à courant continu à excitation indépendante 1- Un moteur à excitation indépendante alimenté sous 220V possède une résistance d’induit de 0,8Ohms. A la charge nominale, l’induit consomme un courant de 15A. Calculer la f.e.m. E du moteur. 2- La machine est maintenant utilisée en génératrice (dynamo). Elle débite un courant de 10A sous 220V. En déduire la f.é.m..

Machine à courant continu

Exercice 8: machine à courant continu à excitation indépendante 1- Un moteur à excitation indépendante alimenté sous 220 V possède une résistance d’induit de 0,8 Ohms. A la charge nominale, l’induit consomme un courant de 15 A. Calculer la f.e.m. E du moteur.

E = U – RI = 220 – 0,8 x 15 = 208 V (U > E en fonctionnement moteur) 2- La machine est maintenant utilisée en génératrice (dynamo). Elle débite un courant de 10 A sous 220 V. En déduire la f.e.m.

E = U + RI = 220 + 0,8 x 10 = 228 V (E > U en fonctionnement génératrice)

Machine à courant continu

Exercice 9: génératrice à courant continu à excitation indépendante Une génératrice à excitation indépendante fournit une f.e.m de 220 V pour un courant d’excitation de 3,5A. La résistance de l’induit est de 90m Ohms. Calculer la tension d’induit U lorsqu’elle débite 56 A dans le circuit de charge.

Machine à courant continu

Exercice 9: génératrice à courant continu à excitation indépendante Une génératrice à excitation indépendante fournit une f.e.m de 220 V pour un courant d’excitation de 3,5 A. La résistance de l’induit est de 90 m Ohms. Calculer la tension d’induit U lorsqu’elle débite 56 A dans le circuit de charge.

U = E - RI = 220 - 0,090 x 56 = 215 V (U < E en fonctionnement génératrice)

Machine à courant continu

Exercice 10: moteur à courant continu à excitation indépendante La plaque signalétique d’un moteur à courant continu à excitation indépendante indique : 1,12 kW 1200 tr/min induit 220 V 5,7 A excitation 220 V 0,30 A 57 kg 1- Calculer le couple utile nominal (en Nm).

2- Calculer le rendement nominal.

Machine à courant continu

Exercice 10: moteur à courant continu à excitation indépendante 1- Calculer le couple utile nominal (en Nm).

1,12×103/(1200×2p/60) = 1120 W/(125,7 rad/s) = 8,9 Nm 2- Calculer le rendement nominal.

1120/(220×5,7+220×0,3) = 1120/1320 = 84,8 %

Machine à courant continu

Exercice 11: génératrice à courant continu à excitation indépendante La plaque signalétique d’une génératrice à courant continu à excitation indépendante indique : ● 11,2 Nm 1500 tr/min ● induit 220 V 6,8 A ● excitation 220 V 0,26 A ● masse 38 kg

1- Calculer la puissance mécanique consommée au fonctionnement nominal. 2- Calculer la puissance consommée par l’excitation. 3- Calculer la puissance utile. 4- En déduire le rendement nominal.

Machine à courant continu

Exercice 11: génératrice à courant continu à excitation indépendante 1- Calculer la puissance mécanique consommée au fonctionnement nominal.

11,2 x (1500 x 2p/60) = (11,2 Nm) x (157,1 rad/s) = 1,76 kW 2- Calculer la puissance consommée par l’excitation.

220 x 0,26 = 57 W 3- Calculer la puissance utile.

220 x 6,8 = 1,50 kW 4- En déduire le rendement nominal.

1500/(1760+57) = 82,4 %

Machine à courant continu

Exercice 12: expérience avec un moteur à courant continu à aimants permanents Un moteur à courant continu à aimants permanents est couplé à un volant d’inertie (disque massif) : 1- On place le commutateur en position 1 : le moteur démarre et atteint sa vitesse nominale.

On place ensuite le commutateur en position 2 : Le moteur s’emballe Le moteur change de sens de rotation Le moteur s’arrête lentement Le moteur s’arrête rapidement

Machine à courant continu

On place ensuite le commutateur en position 2 : Le moteur s’emballe Le moteur change de sens de rotation Le moteur s’arrête lentement Le moteur s’arrête rapidement