Cette publication contient la leçon N° 3 de la commande des machines électriques. Proposé et rédigé par Dr Khader Saad
III.1 Définition de la machine à courant continu
La machine à courant continu (MCC) est un convertisseur électromécanique, totalement réversible, c’est-à-dire qu’elle peut :
- Soit fonctionner en moteur et donc recevoir de l’énergie électrique pour la transformer en énergie mécanique.
- Soit fonctionner en génératrice et donc recevoir de l’énergie mécanique pour la transformer en énergie électrique. La construction des moteurs est identique à celle des génératrices.
III.2 Réversibilité des machines à courant continu
Le moteur à courant continu est réversible : de moteur, il peut devenir générateur. Dans ce cas, la chaîne de conversion s’inverse. Le moteur reçoit de l’énergie mécanique (énergie cinétique) et la transforme en énergie électrique. Cette possibilité de fonctionner en génératrice offre au moteur un avantageux moyen de freinage. Ces quatre types de fonctionnement ou de services peuvent être représentés par un système de coordonnées ; les plages ainsi délimitées appelées quadrant sont comptées en sens inverse des aiguilles d’une montre et désignées par les chiffres romains I à IV :
- Les quadrants Q1 et Q3 correspondent à un fonctionnement moteur : la puissance utile P = C. Ω est positive, le moteur fournit de l’énergie mécanique à la charge.
- Les quadrants Q2 et Q4 correspondent à un fonctionnement en génératrice : la puissance utile P = C.Ω est négative, le moteur reçoit de l’énergie mécanique de la charge.
III.3 Constitution
La machine à courant continue comporte les parties principales suivantes :
- Inducteur : Il est formé soit d’aimants permanents en ferrite soit de bobines placées autour des noyaux polaires. Lorsque les bobines sont parcourues par un courant continu, elles créent un champ magnétique dans le circuit magnétique de la machine notamment dans l’entrefer, espace séparant la partie fixe et la partie mobile, où se situent les conducteurs. Ce flux et ce champ sont orientés du pôle Nord vers le pôle Sud.
- Induit : Le noyau d’induit est en fer pour canaliser les lignes de champ, les conducteurs sont logés dans des encoches sur le rotor, deux conducteurs forment une spire.
- Collecteur et balais : Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre isolées, disposées sur l’extrémité du rotor, les balais portés par le stator frottent sur le collecteur.
III.4 Principe de fonctionnement
Le fonctionnement du moteur à courant continu est basé sur le principe des forces de Laplace : Un conducteur de longueur (L), placé dans un champ magnétique et parcouru par un courant, est soumis à une force électromagnétique. Le champ créé par l’inducteur agit sur les conducteurs de l’induit : Chacun des (N) conducteurs de longueurs (L) placé dans le champ (B) et parcouru par un courant (I) est le siège d’une force électromagnétique perpendiculaire au conducteur. La force de Laplace exerce un couple proportionnel à l’intensité (I) et au flux (φ) sur le rotor peut être écrite comme suit :
F = B.L.I. sin α
Le schéma ci-contre illustre l’utilisation de la règle de la main droite pour trouver le sens du champ magnétique dans une bobine. Il est donné par la règle des 3 doigts de la main droite (loi de Laplace) le pouce indiquant le sens dans lequel la force pousse, l’index indiquant le sens de l’intensité électrique le majeur indiquant le sens du champ magnétique. Si on inverse le sens de B ou de I, on inverse le sens de F.
La force électromotrice f.e.m résultante de l’ensemble de ces N spires :
La constante de proportionnalité K ne dépend que du nombre N de conducteurs au rotor, du mode de bobinage et du nombre de paires de pôles.
Avec, P : le nombre de paires de pôles. a : le nombre de paires de voies d’enroulement. N : le nombre de conducteurs.
III.5 Différents types des machines à courant continu
On distingue deux types de moteurs à courant continu :
1. Les moteurs à inducteur à aimant permanent
Il n’y a pas de circuit inducteur, le flux inducteur est produit par un aimant permanent. Ils disposent d’un flux d’induction constant obtenu sans branchement électrique, donc un couple pouvant être élevé au démarrage. La variation de vitesse est très facile à réaliser, Ils sont très utilisés en robotique, audiovisuel, robotique, jouets …etc.
2. Les moteurs à inducteur bobiné
Il existe 4 types différents de moteurs électriques qui sont classés en fonction du type d’excitation qui est employé, qui sont : excitation shunt, excitation série, excitation séparé, excitation composée ou compound. On distingue donc :
a. Moteurs à excitation en dérivation « shunt » : Les enroulements de l’inducteur et l’induit sont reliés en parallèle. Une seule tension d’alimentation est utilisée, le flux y est constant. Alimentés à tension constante, ils ont les mêmes caractéristiques que les moteurs à excitation indépendante. Leur caractéristique principale est de disposer d’une vitesse peu sensible à la charge.
b. Moteurs à excitation série : les enroulements inducteurs et induits sont montés en série, la tension d’alimentation est unique avec un même courant qui les traverse. Ces moteurs ont un très fort couple de démarrage et sont utilisés principalement en traction électrique (domaine ferroviaire).
c. Moteurs à excitation indépendante (séparée) : Ces moteurs ont leurs alimentations d’inducteur et d’induit totalement séparées. Pour faire varier leur vitesse, ils peuvent ainsi être commandés par l’induit (à flux constant) ou par l’inducteur (à puissance constante).
d. Les moteurs à excitation composée (compound) : A excitation série-parallèle (composée ou « compound ») Cette technologie permet de réunir les qualités du moteur à excitation série et du moteur à excitation parallèle. Ce moteur comporte deux enroulements par pôle inducteur. L’un est en parallèle avec l’induit. Il est parcouru par un faible courant au regard du courant de travail. L’autre est en série. Le moteur est à flux additif si les ampères-tours des deux enroulements ajoutent leurs effets. Il est à flux soustractif dans le cas contraire, mais ce mode de montage est très rarement utilisé car il conduit à un fonctionnement instable pour les fortes charges.
III.6 Caractéristiques des différents types de moteurs à courant continu
III.7 Bilan énergétique
Le bilan des puissances décline toutes les puissances, depuis la puissance absorbée d’origine électrique jusqu’à la puissance utile de nature mécanique. Entre ces deux termes, l’étude se portera sur toutes les pertes aussi bien mécaniques qu’électriques, et enfin une puissance sera étudiée tout particulièrement, elle correspond au passage de la puissance électrique à la puissance mécanique.
Le bilan, peut être résumé à l’aide du schéma suivant :
1. Le rendement se note η: c’est un rapport entre l’énergie fournie et l’énergie absorbée est le rendement. Le rendement peut être déterminé soit par le calcul ou la mesure directe de Pa et Pu, soit par la mesure ou la détermination des pertes.
η=Pu/Pa
2. Puissance absorbée se note Pa : La puissance électrique absorbée par moteur est :
Pa=UaIa+UeIe
La puissance absorbée par induit est calculée selon la relation :
P=UaIa
La puissance absorbée par inducteur est calculée selon la relation :
Pe=UeIe
3. Puissance électromagnétique se note Pem : La puissance électromagnétique du stator vers le rotor par l’action du champ tournant est due au couple électromagnétique présent dans l’entrefer du moteur :
Pem =Pa-Pja-Pje= E.I = Cem Ω
4. Puissance mécanique se note Pu : La puissance mécanique ou utile est déterminée selon la relation :
Pu=Pa-Pja-Pje-Pc=Cu.Ω
5. Energie électrique se note W : On rappelle qu’en régime continu, l’énergie W est égale à la puissance électrique absorbée multipliée par le temps t.
W=Pa.t
6. Pertes Joule se note Pj :
Pertes de cuivre dans le circuit électrique dues à l’effet Joule dans l’induit :
Pja=RaIa2
Pertes de cuivre dans le circuit électrique dues à l’effet Joule dans l’inducteur :
Pje=reIe2
7. Pertes constantes se note Pc : C’est la somme des pertes mécanique (frottement) et des pertes magnétiques (Foucault et hystérésis). Ces pertes sont supposées constantes quel que soit le point de fonctionnement du moteur.
- Pertes fer dans le circuit magnétique Pfer.
- Pertes mécaniques dans les éléments en rotation dues aux frottements Pm.
Remarque : Si l’essai à vide est réalisé à vitesse nominale et sous excitation nominale, les pertes fer et les pertes mécaniques déduites de cet essai seront identiques lors du fonctionnement nominal.
a. Couple électromagnétique : C’est le couple qui correspond à la puissance passée de la forme électrique à la forme mécanique :
Pem = E.I = Cem Ω d’où : Cem= K.φ.I
Avec, Cem : moment du couple électromagnétique (N.m). I : Courant dans l’induit (A).
b. Couple utile : la puissance absorbée qui est convertie en puissance mécanique.
Pu = Cu Ω d’où : Cu= Pu / Ω
c. Couple de pertes : la puissance absorbée qu’est convertie en puissance mécanique.
Cp = Cu – Cr d’où : Cp= Pc / Ω
d. Expression de la vitesse : les MCC consomment une partie de l’énergie absorbée pour leur fonctionnement interne. L’énergie mécanique fournie sera toujours plus petite que l’énergie électrique absorbée. La vitesse est donnée par :
U= E+R.I et E=K.φ.Ω d’où : Ω= U-R.I / K.φ
II.8 Lecture d’une plaque signalétique
La plaque signalétique d’un moteur donne de précieux renseignements, ils concernent le fonctionnement le mieux approprié, c’est-à-dire celui qui permet un très bon rendement, pas forcément le plus élevé, mais qui assure une très bonne longévité de la machine. Les valeurs mentionnées pour l’induit sont appelées les valeurs nominales, elles ne doivent pas être dépassées de plus de 1,25 fois. Elles se décomposent ainsi :
- U : Tension nominale à appliquer aux bornes de l’induit.
- I : intensité nominale du courant dans l’induit
- n : fréquence de rotation nominale du rotor
- Pu : puissance utile nominale, d’origine mécanique, délivrée par le moteur.
Ci-dessous, l’exemple de la plaque signalétique de la machine à courant continu du téléphérique du Pic du Midi.
On en tire :
