Electricité-électrotechnique : CM4 Machine à courant continu
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Electricité-électrotechnique : CM4 Machine à courant continu Electricité-électrotechnique : CM4 Machine à courant continu Presentation Transcript

  • La machine à courant continu Électricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques & Institut d’Electronique du Sud Université Montpellier 2 Web : http://palermo.wordpress.com e-mail : cpalermo@um2.fr Année Universitaire 2010–2011 MONTPELLIER
  • Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 BilanIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 2 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 BilanIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 3 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Définition La machine à courant continu Une machine à courant continu est une machine électrique tournante mettant en jeu des tensions et des courants continus. 2 tensions : induit U et inducteur u 2 courants : induit I et inducteur iIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 4 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Le flux magnétique Soient : Une surface élémentaire dS de normale orienté n Un champ magnétique B B uniforme sur dS n alors : dφ = B · n dS = B · dS Flux magnétique sur S toute entière : dS φ= B · dS S Unité : Wb (Weber)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 5 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Propriétés du flux magnétique φ= B · dS n n n (a) (b) (c) Produit scalaire : B//n ←→ flux maximum B ⊥ n ←→ flux nul Champ varie ⇒ Flux varie Surface varie ⇒ Flux varieIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 6 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Propriétés du flux magnétique φ= B · dS n n n (a) (b) (c) Produit scalaire : B//n ←→ flux maximum B ⊥ n ←→ flux nul Champ varie ⇒ Flux varie Surface varie ⇒ Flux varieIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 6 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : génération de f.é.m x x+dx M N V L B e P O MN et PO fixes et NO mobile → − dφ B constant et uniforme e=− dt Variation de surface =⇒ dφ Mesurable avec un voltmètreIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 7 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : génération de f.é.m x x+dx M N V L B e P O |e| ↑ quand B ↑ ; |e| ↑ quand |v | ↑ ; e = −BLv → − B change de sens =⇒ e change de signe ; → change de sens, e change de signe −v Même principe dans une génératrice Ampèremètre =⇒ courantIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 8 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Force de Laplace dF Soit un élément de circuit : parcouru par un courant I ; B de longueur élémentaire dL (orientée I IdL dans le sens du courant) ; dL plongé dans un champ magnétique B. L’élément subit une force élémentaire dF : dF = I dL ∧ B Pour tout le circuit : F =I dL ∧ B L On utilise la règle de la main droite.IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 9 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : mise en mouvement I M N I E B F P I O MN et PO fixes et NO mobile → − → − B constant et uniforme Force de Laplace F =⇒ Création E tension continue d’un mouvement Circulation d’un courantIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 10 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Les rails de Laplace : mise en mouvement I M N I E B F P I O F ↑ quand B ↑ ; F ↑ quand I ↑ ; F = ILB → − → − − B change de sens =⇒ F et → changent de sens v → changent de sens − E change de sens, I et v Même principe dans un moteurIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 11 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Le cadre tournant B I Rotation −→ lois de Faraday et de Laplace → − B champ d’induction continu On impose le mouvement =⇒ Faraday =⇒ Génératrice On injecte un courant =⇒ Laplace =⇒ MoteurIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 12 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur Problématique Exemple du moteur : B F’ I F → − B ⊥ plan du cadre =⇒ couple nul =⇒ pas de mouvement Le cadre s’arrête au bout d’un demi-tour On n’a que du courant continu !IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 13 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur La solution B B B F I F I F F F I (a) (b) (c) F Changer le sens du courant Que du courant continu Changer le sens du champ Collecteur : dispositif Plusieurs cadres dans une MCC d’inversionIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 14 / 37
  • Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur La solution B B B F I F I F F F I (a) (b) (c) F Changer le sens du courant Que du courant continu Changer le sens du champ Collecteur : dispositif Plusieurs cadres dans une MCC d’inversionIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 14 / 37
  • Technologie de la machine Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 BilanIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 15 / 37
  • Technologie de la machine Circuits électriques Le stator Stator = inducteur Crée le champ inducteur (continu) B N S Peut-être composé d’aimants permanents (i fixe) de bobinages (i réglable) Courant inducteur = courant d’excitation = iIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 16 / 37
  • Technologie de la machine Circuits électriques Le stator Stator = inducteur Crée le champ inducteur (continu) B N S Peut-être composé d’aimants permanents (i fixe) de bobinages (i réglable) Courant inducteur = courant d’excitation = iIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 16 / 37
  • Technologie de la machine Circuits électriques Le rotor Rotor = induit Ensemble de cadres tournants rotor-induit stator-inducteur Baigne dans le champ magnétique Siège de la conversion électro-mécanique Apparition d’un couple ou d’une f.é.mIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 17 / 37
  • Technologie de la machine Circuits électriques Symboles électriques Il en existe plusieurs Nous utiliserons : (a) inducteur (b) inducteur G Induit M Induit Mode génératrice Mode moteurIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 18 / 37
  • Technologie de la machine Le collecteur et les balais Technologie Il faut inverser le courant Exemple simplifié pour 1 cadre cadre conducteur or rot − matière isolante ur ecte coll balais lame conductrice + I 2 lames ↔ 1 cadre Balais (= charbons) assurent le contact électriqueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 19 / 37
  • Fonctionnement de la machine Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 BilanIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 20 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Montages électriques Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induitIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 21 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Montages électriques Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induit Connexion en série : montage série Connexion en parallèle : montage shunt Connexion indépendante : montage à excitation séparéeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 21 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Montages électriques Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induit Connexion en série : montage série Connexion en parallèle : montage shunt Connexion indépendante : montage à excitation séparée Des caractéristiques différentes Dans ce cours Nous étudierons le montage à excitation séparée uniquement Équations : shunt : on posera U = u série : on posera I = iIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 21 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Schémas électriques équivalents Définition On appelle schéma électrique équivalent d’un circuit un schéma permettant de rendre compte du comportement électrique de ce circuit à l’aide de générateurs et de composants simples. Échauffement =⇒ résistance Fuites de courant =⇒ conductance Force électromotrice =⇒ dipôle polarisé Pertes de flux magnétique (ALTERNATIF) =⇒ bobine Effets capacitifs (ALTERNATIF) =⇒ condensateurIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 22 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Schémas électriques équivalents Définition On appelle schéma électrique équivalent d’un circuit un schéma permettant de rendre compte du comportement électrique de ce circuit à l’aide de générateurs et de composants simples. Échauffement =⇒ résistance Fuites de courant =⇒ conductance Force électromotrice =⇒ dipôle polarisé Pertes de flux magnétique (ALTERNATIF) =⇒ bobine Effets capacitifs (ALTERNATIF) =⇒ condensateur Et pour la MCC ? 2 Bobinages traversés par un courant continu Point de vue électrique =⇒ échauffement =⇒ résistance Induction d’une f.é.m dans l’unduit =⇒ dipôle polariséIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 22 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Schémas électriques équivalents de la MCC (a) (b) i R r résistance d’inducteur u r U R résistance d’induit E E force électromotrice ou contre électromotrice inducteur Induit u, i U, I Sens du courant induit I : dépend du mode de fonctionnement Moteur −→ Puissance mécanique −→ E et I en sens inverses (récepteur) Génératrice −→ Puissance électrique −→ E et I dans le même sensIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 23 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques La force électromotrice E Rotor-induit : siège d’une f.é.m Vrai pour le moteur et la génératrice Force contre-électromotrice pour le moteurIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 24 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques La force électromotrice E Rotor-induit : siège d’une f.é.m Vrai pour le moteur et la génératrice Force contre-électromotrice pour le moteur Rails de Laplace : f.é.m = f (B,v )IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 24 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques La force électromotrice E Rotor-induit : siège d’une f.é.m Vrai pour le moteur et la génératrice Force contre-électromotrice pour le moteur Rails de Laplace : f.é.m = f (B,v ) E = K φΩ avec K constante de la machine, φ en Wb et Ω en rad/sIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 24 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Puissance et couple électromagnétique Puissance électromagnétique : Transmise entre rotor et stator (champ magnétique) Convertie (électrique ←→ mécanique) En rapport avec E (et I) Pem = EIIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 25 / 37
  • Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques Puissance et couple électromagnétique Puissance électromagnétique : Transmise entre rotor et stator (champ magnétique) Convertie (électrique ←→ mécanique) En rapport avec E (et I) Pem = EI Couple électromagnétique Tem : Appliqué par les forces de Laplace Sur le rotor Pem Tem = = K φI Ω Tem proportionnel à IIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 25 / 37
  • Fonctionnement moteur Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 BilanIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 26 / 37
  • Fonctionnement moteur Définition (a) (b) i R u r U E inducteur Induit u, i U, I Mode moteur Une machine à courant continu fonctionne en mode moteur si et seulement si U > E . L’induit absorbe le courant IIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 27 / 37
  • Fonctionnement moteur Vitesse du moteur Vitesse n (tr/s ou s−1 ) ou Ω = 2πn (rad/s) Usage : tr/min ou min−1IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 28 / 37
  • Fonctionnement moteur Vitesse du moteur Vitesse n (tr/s ou s−1 ) ou Ω = 2πn (rad/s) Usage : tr/min ou min−1 I R RI E U =⇒ U = E + RI U − RI Ω= KφIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 28 / 37
  • Fonctionnement moteur Deux remarques U RI << U =⇒ Ω Kφ Commande du moteur U permet de contrôler la vitesse de rotation pour φ donné. U − RI n∝ i i −→ 0 =⇒ n −→ ∞ Emballement du moteur Ne jamais couper l’inducteur d’un moteur à courant continu en fonctionnement. Risque d’emballement !IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 29 / 37
  • Fonctionnement moteur Bilan des puissances du moteur à courant continu Puissance électrique absorbée Pa Pertes Joule Puissance PJS +PJR électromagnétique Pem Pertes mécaniques Puissance mécanique Pertes fer Pf rotationnelles Prot utile PuIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 30 / 37
  • Fonctionnement moteur Bilan des puissances du moteur à courant continu Puissance électrique absorbée Pa Pertes Joule Puissance PJS +PJR électromagnétique Pem Pertes mécaniques Puissance mécanique Pertes fer Pf rotationnelles Prot utile Pu Pcste = Prot + Pf se mesurent à vide (cf notes)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 30 / 37
  • Fonctionnement moteur Rendement du moteur Définition Le rendement η d’un moteur est le rapport entre la puissance mécanique utile Pu et la puissance électrique absorbée Pa . Pu η= (< 100 %) PaIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 31 / 37
  • Fonctionnement moteur Rendement du moteur Définition Le rendement η d’un moteur est le rapport entre la puissance mécanique utile Pu et la puissance électrique absorbée Pa . Pu η= (< 100 %) Pa À vide : Sans charge mécanique Pu = 0 (moteur inutile) η=0IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 31 / 37
  • Fonctionnement moteur Couple utile d’un moteur à courant continu Bilan des puissances =⇒ Tu ∝ φI Commande du moteur Le courant I permet de contrôler le couple moteur pour φ donné. Tu et n sont contrôlables indépendamment Faibles vitesses et forts couples Idéal pour le démarrage en chargeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 32 / 37
  • Fonctionnement moteur Démarrage du moteur à excitation séparée Au démarrage : Ω = 0 =⇒ E = 0 La résistance d’induit R est petite I = U/R très grand Limiter la tension U : Rhéostat de démarrage =⇒ n’est plus utilisé Variateur de vitesse (hacheurs, tension variable) =⇒ TP Tension de démarrage Pour contrôler le courant, un moteur à excitation séparée doit être démarré à tension réduite.IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 33 / 37
  • Fonctionnement en génératrice Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 BilanIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 34 / 37
  • Fonctionnement en génératrice Définition (a) (b) i R u r U E inducteur Induit u, i U, I Mode génératrice Une machine à courant continu fonctionne en mode génératrice si et seulement si E > U. L’induit délivre le courant I U = E − RI =⇒ on recalcule comme précédemmentIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 35 / 37
  • Bilan Plan 1 Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement Nécessité d’un collecteur 2 Technologie de la machine Circuits électriques Le collecteur et les balais 3 Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques 4 Fonctionnement moteur 5 Fonctionnement en génératrice 6 BilanIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 36 / 37
  • Bilan Bilan de la machine à courant continu Avantages : Commande facile : U ←→ n et I ←→ Tu Connexion directe sur batteries possible Facilement réversible (U par rapport à E ) Couple au démarrage réglable et important Inconvénients : Emballement possible Tension au démarrage à contrôler Prix élevé Maintenance nécessaire Source importante de nuisances (étincelles)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2010–2011 37 / 37