Le moteur à courant continu TGM 1. Présentation générale a) Conversion d’énergie Le moteur à courant continu effectue une conversion d’énergie électrique en énergie mécanique.

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Le moteur à courant continu

TGM 1. Présentation générale

a) Conversion d’énergie

Le moteur à courant continu effectue une conversion d’énergie électrique en énergie mécanique.

b) Constitution

• Le circuit magnétique est constitué d’une partie fixe, le stator, d’une partie tournante, le rotor et de l’entrefer, l’espace entre les deux parties.

• Le stator supporte le circuit électrique inducteur, qui peut être réalisé avec des bobines ou avec des aimants permanents.

• le rotor supporte le circuit électrique induit.

• Le système des balais et collecteurs permet d’alimenter l’induit.

c) Symbole

2. Principe de fonctionnement a) Couple électromagnétique

Lorsqu’on alimente l’inducteur par une source de tension continue, celui-ci produit un champ magnétique dont les lignes de champ sont canalisées par le circuit magnétique.

énergie électrique fournie

pertes d’énergie Moteur à courant

continu

énergie mécanique utile

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Circuit magnétique d’un moteur bipolaire Circuit magnétique d’un moteur tétrapolaire

On alimente ensuite l’induit par une autre source de tension continue.

Chacun des conducteurs de l’induit est alors parcouru par un courant et, placé dans le champ magnétique inducteur, est soumis à une force de Laplace telle que : F = B.I.l.

L’intensité de cette force est proportionnelle à l’intensité I du courant induit et à l’intensité B du champ magnétique créé par l’inducteur.

Deux conducteurs sont reliés pour former une spire. Il apparaît donc deux forces de même intensité F mais de sens opposés qui forment un couple électromagnétique d’intensité T = 2.r.F.

(r : rayon du rotor)

On a donc : T = 2.r.F = 2.r.B.I.l = S.B.I = Φ.I

Conclusion : On montre que le moment du couple électromagnétique total TEM exercé sur l’induit vaut :

T

EM

= K. Φ .I

•

Tem en newton mètre (N.m)

• K : constante du moteur qui ne dépend que de sa constitution (nombre total de conducteurs N… on montre que K = N

a p .

. .

2π avec p nombre de paires de pôles et a nombre de paires de voies d’enroulement),

• Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers (Wb)

• I : intensité du courant dans chaque conducteur de l’induit, en ampères (A)

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Conclusion : On montre que la f.é.m. induite totale E qui apparaît aux bornes de l’induit vaut :

E = K .Φ . Ω

• E en volts (V)

• K est la même constante que précédemment,

• Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers (Wb)

• Ω : vitesse de rotation du moteur en radians par seconde (rad.s^-1) c) Réversibilité du moteur à courant continu

Si le rotor du moteur à courant continu est entraîné par un autre système et que l’inducteur est alimenté, la loi de Faraday implique qu’une f.é.m. induite apparaît aux bornes de l’induit : On peut y brancher un récepteur et recueillir de l’énergie électrique.

Il y a transformation d’énergie mécanique (du système d’entraînement) en énergie électrique : c’est un fonctionnement en génératrice, semblable au fonctionnement d’une dynamo de vélo.

3. Modèle équivalent du moteur à courant continu a) L’induit

Pour une vitesse de rotation Ω constante et un flux Φ constant (c'est-à-dire un courant inducteur IE constant), on relève la caractéristique U = f(I) de l’induit en « chargeant » le moteur, c'est-à-dire en freinant progressivement le rotor par un système mécanique appelé « charge ».

Comme E = K.Φ.Ω, E est constante dans cet essai.

On obtient la caractéristique suivante :

• A vide (I ≈ 0), la tension U se confond avec la f.é.m. induite E ;

• En charge (I ≠ 0), il faut augmenter U pour garder la vitesse de rotation constante ;

• On calcule le coefficient directeur de la caractéristique et on trouve que celui-ci a pour valeur la résistance R des bobines de l’induit.

Conclusion : La caractéristique U = f(I) de l’induit a pour équation :

U = E + R.I

U (V)

I (A)

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Cette équation correspond au modèle électrique équivalent suivant :

C’est le modèle équivalent de l’induit.

b) L’inducteur

L’inducteur est fixe par rapport au flux magnétique : il ne subit pas d’induction.

Alimenté aussi en continu par une tension UE, son modèle équivalent se réduit à la résistance RE des bobines de l’inducteur.

Remarque : On appelle courant d’excitation le courant IE

car il est lié à l’excitation magnétique qui produit le flux dans le moteur.

4. Puissances mises en jeu a) Puissance absorbée

Le moteur absorbe la puissance électrique : PA = Pinduit + Pinducteur = U.I + UE.IE

b) Puissance et couple électromagnétiques

De l’équation de l’induit : U = E + R.I on déduit l’équation des puissances de l’induit : U.I = E.I + R.I²

• PAI = U.I est la puissance absorbée par l’induit ;

• PJI = R.I² est la puissance dissipée par effet joule dans la résistance de l’induit ;

• PEM = E.I est la puissance électromagnétique que l’induit transmet au rotor par l’action du couple électromagnétique TEM.

Des équations fondamentales du moteur : E = KΦΩ et T^EM = KΦI, on déduit que :

E U

I

R

R_E U_E

I_E

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c) Puissances perdues

Lors de la transformation d’énergie, une partie de la puissance absorbée est perdue sous forme de chaleur :

• pertes joules : PJ = PJI + PJE = R.I² + RE.IE2 = R.I² + UE.IE

• pertes mécaniques (frottements, ventilation) : PMECA

• pertes fer (courants induits dans le circuit magnétique et pertes dues au phénomène d’hystérésis) : PFER

On appelle pertes collectives PC, la somme des pertes mécaniques et des pertes fer :

P

C

= P

MECA

+ P

FER

Propriété : lorsque le moteur fonctionne à flux constant, les pertes collectives sont proportionnelles à la vitesse de rotation : PC = a.Ω avec a = constante.

On définit le moment du couple de pertes TP par la relation :

T

P

=

Ω^C P

Conséquence : A flux constant, le moment du couple de perte TP est une constante du moteur.

d) Puissance utile

C’est la puissance mécanique PU fournie à l’utilisateur. Elle correspond au moment du couple utile tel que :

Tu =

Ω Pu

e) Bilan des puissances

du graphe on déduit : PEM = PC + Pu

d’où :

T

EM

= T

P

+ Tu

P_AI = U.I

R.I_E² = U_E.I_E P_AE = U_E.I_E

R.I²

P_EM

P_C

Pu conversion d’énergie

induit

inducteur

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f) Rendement

Le rendement d’un moteur à courant continu varie de 75 à 95 %. Il est d’autant meilleur que le moteur est de forte puissance.

• Méthode directe

η =

PA

Pu

• Méthode des pertes séparées

η =

C JE

JI P P

P Pu

Pu + +

+

=

A

C JE JI A

P

P P P

P − − −

g) Cas du moteur à aimant permanent

Dans ce moteur, l’inducteur est réalisé avec des aimants permanents : il n’y a donc pas d’alimentation pour l’inducteur, le flux est constant, et les résultats précédents se simplifient :

η =

PA

Pu

η =

C JI P P Pu

Pu +

+

=

A C JI A

P P P P − −

5. Moteur à excitation indépendante a) Branchements

Les deux enroulements inducteur et induit sont alimentés par deux sources de tensions continues différentes.

inducteur ^I induit

R IE

P_AI = U.I

R.I²

P_EM

P_C

Pu conversion d’énergie

induit

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Remarque : les moteurs à aimants permanents sont des moteurs à excitation indépendante.

b) Caractéristiques électromécaniques et mécanique Des relations fondamentales, on déduit que : Ω = U−R.I

K.

Ce sont les quatre grandeurs U, I, Ω et Φ qui déterminent le fonctionnement du moteur.

● Fonctionnement sous tension d'induit constante Au régime nominal, R.I << U et on a : Ω ≈ U

K.

Conséquence : Le moteur s'emballe et devient incontrôlable si le flux est trop faible.

Procédure de mise sous tension du moteur : Il faut d'abord mettre l'inducteur sous tension, puis l'induit.

Caractéristiques I(

Ω ) et Tu( Ω ) lorsque le flux Φ est constant I = (U – K.Φ.Ω)/R = -k1.Ω + k2 Tem = Tu +Tp

La vitesse de rotation du moteur diminue lorsque la charge augmente.

0 Ω

Φ

Φ = cte I

Ω

Φ = cte

Ω Tu

0 0

Tem Tp

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● Fonctionnement à courant I et flux Φ constants (ascenseur ou monte-charge) Ω = U−R.I

K. = k1.U - k2

Il est possible de régler la vitesse de rotation du moteur en réglant la tension U.

c) Point de fonctionnement

Lorsque le moteur entraîne une charge de caractéristique TR(ΩR), il s'établit un équilibre mécanique tel que : Tu = TR et Ω = Ω^R

L'intersection P des deux caractéristiques est le point de fonctionnement.

d) Sens de rotation du moteur

Pour inverser le sens de rotation du moteur, il faut inverser le branchement de l'inducteur ou celui de l'induit.

0 Ω

U I = cte Φ = cte

0 R.I

Ω

Tu T_R

P