Le moteur courant continu

TGM 1. Prsentation gnrale

a) Conversion dnergie Le moteur courant continu effectue une conversion dnergie lectrique en nergie mcanique. nergie lectrique fournie Moteur courant continu nergie mcanique utile

b) Constitution

pertes dnergie
Le circuit magntique est constitu dune partie fixe, le stator, dune partie tournante, le rotor et de lentrefer, lespace entre les deux parties. Le stator supporte le circuit lectrique inducteur, qui peut tre ralis avec des bobines ou avec des aimants permanents. le rotor supporte le circuit lectrique induit. Le systme des balais et collecteurs permet dalimenter linduit.

c) Symbole

2.

Principe de fonctionnement

a) Couple lectromagntique Lorsquon alimente linducteur par une source de tension continue, celui-ci produit un champ magntique dont les lignes de champ sont canalises par le circuit magntique.

Circuit magntique dun moteur bipolaire

Circuit magntique dun moteur ttrapolaire

On alimente ensuite linduit par une autre source de tension continue. Chacun des conducteurs de linduit est alors parcouru par un courant et, plac dans le champ magntique inducteur, est soumis une force de Laplace telle que : F = B.I.l. Lintensit de cette force est proportionnelle lintensit I du courant induit et lintensit B du champ magntique cr par linducteur. Deux conducteurs sont relis pour former une spire. Il apparat donc deux forces de mme intensit F mais de sens opposs qui forment un couple lectromagntique dintensit T = 2.r.F. (r : rayon du rotor) On a donc : T = 2.r.F = 2.r.B.I.l = S.B.I = .I

Conclusion : On montre que le moment du couple lectromagntique total TEM exerc sur linduit vaut :

TEM = K..I
Tem en newton mtre (N.m) K : constante du moteur qui ne dpend que de sa constitution (nombre total p .N avec p nombre de paires de de conducteurs N on montre que K = 2. .a ples et a nombre de paires de voies denroulement), : flux cr par un ple inducteur, en webers (Wb) I : intensit du courant dans chaque conducteur de linduit, en ampres (A)

b) Force lectromotrice induite Le flux magntique embrass par chaque spire de linduit varie lorsquelle celle-ci est d entrane en rotation. La loi de Faraday, e = , implique quune f..m. induite e dt apparat aux bornes de cette spire. Il en est de mme pour chaque spire de linduit.
2

Conclusion : On montre que la f..m. induite totale E qui apparat aux bornes de linduit vaut :

E = K..
E en volts (V) K est la mme constante que prcdemment, : flux cr par un ple inducteur, en webers (Wb) : vitesse de rotation du moteur en radians par seconde (rad.s-1)

c) Rversibilit du moteur courant continu Si le rotor du moteur courant continu est entran par un autre systme et que linducteur est aliment, la loi de Faraday implique quune f..m. induite apparat aux bornes de linduit : On peut y brancher un rcepteur et recueillir de lnergie lectrique. Il y a transformation dnergie mcanique (du systme dentranement) en nergie lectrique : cest un fonctionnement en gnratrice, semblable au fonctionnement dune dynamo de vlo. 3. Modle quivalent du moteur courant continu

a) Linduit Pour une vitesse de rotation constante et un flux constant (c'est--dire un courant inducteur IE constant), on relve la caractristique U = f(I) de linduit en chargeant le moteur, c'est--dire en freinant progressivement le rotor par un systme mcanique appel charge . Comme E = K.., E est constante dans cet essai. On obtient la caractristique suivante : A vide (I 0), la tension U se confond avec la f..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 caractristique et on trouve que celui-ci a pour valeur la rsistance R des bobines de linduit. U (V)

I (A)

Conclusion : La caractristique U = f(I) de linduit a pour quation :

U = E + R.I

Cette quation correspond au modle lectrique quivalent suivant : Cest le modle quivalent de linduit.
U

b) Linducteur Linducteur est fixe par rapport au flux magntique : il ne subit pas dinduction. Aliment aussi en continu par une tension UE, son modle quivalent se rduit la rsistance RE des bobines de linducteur. Remarque : On appelle courant dexcitation le courant IE car il est li lexcitation magntique qui produit le flux dans le moteur.
IE

UE

RE

4.

Puissances mises en jeu

a) Puissance absorbe Le moteur absorbe la puissance lectrique : PA = Pinduit + Pinducteur = U.I + UE.IE b) Puissance et couple lectromagntiques De lquation de linduit : U = E + R.I on dduit lquation des puissances de linduit : U.I = E.I + R.I2 PAI = U.I est la puissance absorbe par linduit ; PJI = R.I2 est la puissance dissipe par effet joule dans la rsistance de linduit ; PEM = E.I est la puissance lectromagntique que linduit transmet au rotor par laction du couple lectromagntique TEM.

Des quations fondamentales du moteur : E = K et TEM = KI, on dduit que :

PEM = E.I = TEM.

c) Puissances perdues Lors de la transformation dnergie, une partie de la puissance absorbe est perdue sous forme de chaleur : pertes joules : PJ = PJI + PJE = R.I2 + RE.IE2 = R.I2 + UE.IE pertes mcaniques (frottements, ventilation) : PMECA pertes fer (courants induits dans le circuit magntique et pertes dues au phnomne dhystrsis) : PFER

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

PC = PMECA + PFER
Proprit : lorsque le moteur fonctionne flux constant, les pertes collectives sont proportionnelles la vitesse de rotation : PC = a. avec a = constante. On dfinit le moment du couple de pertes TP par la relation :

TP=

PC

Consquence : A flux constant, le moment du couple de perte TP est une constante du moteur. d) Puissance utile Cest la puissance mcanique PU fournie lutilisateur. Elle correspond au moment du couple utile tel que :

Tu =
e) Bilan des puissances

Pu

R.I2 conversion dnergie induit

du graphe on dduit : PEM = PC + Pu do :

PAI = U.I

PEM

Pu

TEM = TP + Tu

inducteur PAE = UE.IE R.IE2 = UE.IE PC

f) Rendement Le rendement dun moteur courant continu varie de 75 95 %. Il est dautant meilleur que le moteur est de forte puissance. Mthode directe

= P A
Mthode des pertes spares

Pu

= Pu + P + P + P = JI JE C
g) Cas du moteur aimant permanent

Pu

PA PJI PJE PC PA

Dans ce moteur, linducteur est ralis avec des aimants permanents : il ny a donc pas dalimentation pour linducteur, le flux est constant, et les rsultats prcdents se simplifient :
R.I2

= P A
Pu

Pu
induit

conversion dnergie

= Pu + P + P = JI C

PA PJI PC PA

PAI = U.I

PEM

Pu

PC

5. a)

Moteur excitation indpendante Branchements

Les deux enroulements inducteur et induit sont aliments par deux sources de tensions continues diffrentes.
IE

inducteur

induit
R

UE

RE

Remarque : les moteurs aimants permanents sont des moteurs excitation indpendante. b) Caractristiques lectromcaniques et mcanique U R.I K.

Des relations fondamentales, on dduit que : =

Ce sont les quatre grandeurs U, I, et qui dterminent le fonctionnement du moteur.

Fonctionnement sous tension d'induit constante U K.

Au rgime nominal, R.I << U et on a :

Consquence : Le moteur s'emballe et devient incontrlable si le flux est trop faible. Procdure de mise sous tension du moteur : Il faut d'abord mettre l'inducteur sous tension, puis l'induit. Caractristiques I() et Tu() lorsque le flux est constant I = (U K..)/R = -k1. + k2 Tem = Tu +Tp

= cte

Tu

Tem Tp

= cte

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

Fonctionnement courant I et flux constants (ascenseur ou monte-charge) U R.I = k1.U - k2 K.

I = cte = cte 0 R.I U

Il est possible de rgler la vitesse de rotation du moteur en rglant la tension U. c) Point de fonctionnement

Lorsque le moteur entrane une charge de caractristique TR(R), il s'tablit un quilibre mcanique tel que : Tu = TR et = R Tu TR P 0

L'intersection P des deux caractristiques 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.