Cours installation et depannage de moteurs et de generatrices a courant continu

Coursinstallation et dépannage de moteurs et de génératrices à courant continu

I.Génératrices à courant continu

I.1.Constitution

Une machine à courant continu comporte trois parties principales : l’inducteur, l’induit et le collecteur avec les balais.

a) Inducteur

L’inducteur produit le flux magnétique dans la machine. Il est constitué d’un électro-aimant qui engendre la force magnétomotrice nécessaire à la production du flux.

Dans les machines bipolaires (à deux pôles) (fig.1.1) les bobines magnétisantes sont portées par deux noyaux polaires (fig.1.2), montés à l’intérieur d’une culasse. La culasse est généralement en fonte d’acier, tandis que les noyaux polaires sont formés de tôles d’acier doux. Les bobines magnétisantes sont alimentées en courant continu et le courant qui les traverse porte le nom de courant d’excitation.

Fig. 1.1.

Le nombre de pôles que porte l’inducteur dépend surtout de la grosseur de la machine. Plus une machine est puissante et plus sa vitesse est basse, plus elle aura de pôles.

Fig. 1.2 - Pôle d’inducteurFig. 1.3 - Polarité magnétique

d’une génératrice à 6 pôles

Les bobines magnétisantes d’un inducteur multipolaire (qui comporte un nombre de pôles 2p supérieur à deux) sont connectées de façon à ce que les pôles adjacents aient des polarités magnétiques contraires (fig.1.3).

Ces bobines sont composées de plusieurs centaines de spires et portent un courant relativement faible. Elles sont enveloppées de plusieurs couches de ruban de coton et bien isolées des noyaux polaires afin de réduire les risques de court-circuit.

Les lignes du champ magnétique produit par l’inducteur traversent deux fois l’entrefer qui sépare le rotor et le stator et se renferment par l’une des deux demi-culasses.

L’entrefer est de l’ordre de 1,5 mm à 5 mm pour des machines de faible et moyenne puissance.

En réduisant la longueur de l’entrefer on peut diminuer les dimensions des bobines magnétisantes.

Sous les pôles, dans l’entrefer, les lignes de champ sont pratiquement radiales et levecteur B a une norme sensiblement constante (fig.1.4).

Fig. 1.4 – variation du champ dans l’entrefer

Remarquons que le rotor n’entraîne pas les lignes de champ dans son mouvement: la topographie du champ magnétique n’est pratiquement pas modifiée par la rotation de l’armature.

b) L’induit

L’induit constitue l’ensemble des conducteurs qui coupent le flux magnétique. Ces conducteurs sont enroulés sur un noyau cylindrique (fig.1.5a) formé d’un assemblage de tôles en fer doux. Ces tôles sont isolées les unes des autres et portent des encoches destinées à recevoir les conducteurs (fig.1.5a).

Les conducteurs de l’induit sont parcourus par le courant débité par la machine. Ils sont isolés du noyau par plusieurs couches de papier ou de mica. Pour résister aux forces centrifuges, ils sont maintenus solidement en place dans les encoches au moyen de cales en fibre (fig.1.5b). Si le courant est faible, on emploie des conducteurs ronds, mais s’il dépasse une cinquantaine d’ampères, on se sert de conducteurs rectangulaires qui permettent une meilleure utilisation du volume de l’encoche.

L’induit est monté sur un arbre et tourne entre les pôles de l’inducteur.

a) Le noyau d’induit composé d’un empilage de tôles d’acier

b)Les conducteurs retenus dans les encoches par des cales en fibre

Fig. 1.5

c) Collecteur et balais

Le collecteur est un ensemble cylindrique de lames de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica. Le collecteur est monté sur l’arbre de la machine, mais isolé de celui-ci (fig.1.6a). Les conducteurs de l’induit sont reliés aux lames du collecteur. Dans une génératrice bipolaire, deux balais fixes et diamétralement opposés appuient sur le collecteur et assurent le contact électrique entre l’induit et le circuit extérieur (fig.1.6b).

La construction du collecteur demande un soin considérable, car, si une des lames dépasse les autres d’une fraction de millimètre seulement, des étincelles seraient produites par le rebondissement des balais quand la machine est en charge. De telles étincelles rongeraient et détérioreraient les balais, tout en surchauffant et en carbonisant le collecteur, ce qui ne peut être toléré.

Les machines multipolaires ont autant de balais que de pôles. Par exemple, une génératrice ayant 6 pôles possède 6 balais, dont 3 positifs (+) et 3 négatifs (-). Les balais ( + ) sont reliés ensemble pour former la borne positive de la machine. De même, les balais (-) sont reliés ensemble pour en former la borne négative (fig.1.6c).

Fig. 1.6

Les balais sont faits en carbone car ce matériau possède une bonne conductivitéélectrique et il est assez doux pour ne pas user indûment le collecteur. Pour améliorer leur conductivité, on ajoute parfois au carbone une petite quantité de cuivre.

La pression des balais sur le collecteur peut être réglée à une valeur appropriée grâce à des ressorts ajustables (fig.1.7). Si la pression est trop grande, le frottement provoque un échauffement excessif du collecteur et des balais. Par contre, si elle est trop faible, le contact imparfait peut produire des étincelles.

Zone neutre

Les zones neutres sont les endroits situés à la surface de l’induit où la densité du flux est nulle. Lorsque la génératrice fonctionne à vide, les zones neutres se trouvent exactement à mi-chemin entre les pôles. Aucune tension n’est induite dans une bobine traversant une zone neutre, c’est pourquoi on cherche à disposer les balais autour de collecteur afin qu’ils soient en contact avec les bobines franchissant ces zones neutres. On assure en même temps une tension maximale entre les balais.

Génératrices multipolaires

Lorsqu’une machine à courant continu doit avoir une puissance élevée (plusieurs kilowatts), elle n’est plus bipolaire. Son stator comporte un nombre de pôles 2p supérieur à deux, ces pôles alternativement Nord et Sud sont régulièrement disposés

à la périphérie du rotor (fig. 1.8). Son enroulement d’induit présente alors 2a voies (nombre pair) en parallèle.

Génératrice multipolaire

Fig. 1.8.

Les solutions technologiques retenues sont diverses mais les principes adoptés restent valables comme pour l’enroulement bipolaire à deux voies:

• Chaque encoche contient toujours deux faisceaux superposés;
• L’enroulement, fermé sur lui-même, est constitué de sections identiques connectées en série; chacune de ces sections comporte un faisceau périphérique dans une encoche et un faisceau profond dans l’autre, son entrée soudée à une lame du collecteur et sa sortie à une autre lame;
• L’ouverture des sections est égale à l’angle séparant deux pôles successifs, c’est-à-dire égale au pas polaire π / p; ainsi, pour chaque section, le faisceau périphérique d’une part et le faisceau profond d’autre part occupent, à toutinstant, la même position par rapport au pôle en regard; les forces électromagnétiques s’exerçant sur les deux faisceaux sont constammentégales et de même sens par rapport au rotor.

Grâce aux connexions entre les extrémités des sections et les lames du collecteur, il est possible de réaliser deux sortes d'enroulement :

• Les enroulements imbriqués pour lesquels le nombre de voies 2a est égal à

2 p ou à un multiple de 2 p.

• Les enroulements ondulés pour lesquels 2a est égal à 2 ou à un multiple de 2.

II.Propriétés des machines à courant continu

II.1.Force électromotrice induite

Par suite de la rotation, les conducteurs actifs coupent les lignes du champ magnétique: ils sont donc siège de f.é.m. induites. Il est facile de constater que les f.é.m. induites dans tous les faisceaux appartenant à une même voies sont de même sens le long de cette voie: la f.é.m. E dans une voie est la somme des f.é.m. induites dans tous les conducteurs actifs de cette voie.

La f.é.m. d’une voie retrouve la même valeur lorsque le rotor a tourné d’un pasd’encoche: cette f.é.m. ondule très peu autour de sa valeur moyenne E (on confond

désormais E et E ). Les 2a voies de l’enroulement d’induit étant en parallèle, E est aussi la f.é.m; de la machine.

Lorsqu’un conducteur actif passe d’une ligne neutre à la suivante, il coupe un flux Φ; si ∆t est le temps correspondant, la f.é.m. e induite dans un tel conducteur a pour valeur moyenne

e = Φ / ∆t

Or, si la fréquence de rotation est n tours/seconde, la durée de 1 tour a pour expression

1 seconde / n = 1 / n [s]

Le passage d’un conducteur sous un pôle étant 2p fois plus bref, l’intervalle de temps ∆t est égal à

∆t = (1/n) / 2p = 1 / 2pn

d’où:e = Φ / (1/2pn) = 2 p n Φ

Chacune des 2a voies comporte N / 2a conducteurs actifs, si bien que

II.2.Réaction d’induit

Jusqu’à présent nous avons supposé que seule la f.m.m. de l’enroulement inducteur agisse sur le circuit magnétique d’une machine à courant continu. Cependant, le passage du courant dans les conducteurs de l’induit crée également une force magnétomotrice qui a pour effet de déformer et d’affaiblir le flux provenant des pôles. L’action magnétique de la f.m.m. de l’induit est appelée réaction d’induit.

Pour comprendre la réaction d’induit, on doit connaître le sens des courants circulant dans les conducteurs de l’induit situés en dessous de chacun des pôles. On peut facilement le déterminer lorsqu’on connaît le sens de rotation de la machine (la loi de Lenz).

L’exemple de la figure.2 .1 présente les conducteurs situés en dessous du pôle nord d’une génératrice qui tourne dans le sens antihoraire.

Lorsqu’un générateur fonctionne à faible charge, le faible courant circulant dans l’induit ne modifie pas de façon appréciable le champ magnétique Φ₁ provenant des pôles (fig.2.1a). Mais quand le courant dans l’induit devient important, il produit une f.m.m. élevée créant un champ magnétique Φ₂ (fig.2.1b). La somme des champs Φ₁ et Φ₂ donne le champ résultant Φ₃.(fig.2.1c) On constate que la densité du flux augmente sous la moitié gauche du pôle, alors qu’elle diminue sous la moitié droite.

a) Champ dû àb) Champ dû au courant

l’inducteurcirculant dans l’induit

c) Champ résultant dû à la réaction d’induit

Fig. 2.1.

Ce phénomène a deux conséquences. D’abord, la zone neutre se déplace vers la gauche (avec le sens de rotation). Ensuite, à cause de la saturation de l’extrémité A du pôle, l’augmentation de flux produite sous la partie gauche ne réussit pas à compenser la diminution sous la partie droite; le flux Φ₃ en charge est légèrement inférieur au flux Φ₁ à vide. Pour les gros générateurs cette diminution peut être de l’ordre de 5%.

En outre, si l’on veut éviter une mauvaise commutation, on doit réajuster les balais sur la nouvelle zone neutre. Pour les génératrices les balais doivent être déplacés dans le sens de rotation.

Une fois les balais déplacés, la commutation est bonne; cependant, si le courant diminue, la f.m.m. de l’induit baisse et le point neutre occupe une nouvelle position située entre les deux positions précédentes. Il faut alors déplacer à nouveau les balais pour obtenir une commutation sans étincelles. Ce procédé est inacceptable lorsque le courant varie fréquemment et de façon très remarquée. Dans les générateurs de faible puissance (moins que 500 W), on peut se permettre de fixer les balais à une position intermédiaire, ce qui assurera une commutation acceptable pour toutes les charges.

II.3.Pôles de commutation

Pour compenser l’effet de la réaction d’induit, on dispose entre les pôles ordinaires des machines à courant continu des pôles auxiliaires, ou pôles de commutation, calculés pour développer une f.m.m. égale et opposée en tout temps à la f.m.m. de l’induit (fig. 2.2). L’enroulement des pôles de commutation est donc raccordé en série avec l’induit de façon à ce qu’il soit traversé par le même courant et qu’il développe une f.m.m. proportionnelle au courant d’induit.

On voit sur la figure que la f.m.m. des pôles de commutation s’oppose à la f.m.m. de l’induit, et annule ainsi l’effet de celle-ci. Par conséquent, les bobines qui sont momentanément court-circuitées par les balais se trouvent toujours dans une zone où la densité du flux est nulle. Il n’est donc plus nécessaire de déplacer les balais au fur et à mesure que la charge varie.

Les pôles de commutation produisent une f.m.m. égale et opposée à la f.m.m. de l’induit

Fig. 2.2

III. Différents modes d’excitation d’une machine à courant continu

Une machine à courant continu comporte deux circuits électriques: l’enroulement del’induit et l’enroulement de l’inducteur. Ces deux circuits peuvent être couplés l’un par rapport à l’autre de différentes manières ce qui définie les différents types de machines.

Génératrice à excitation indépendante

Le flux dans la machine est créé par le passage d’un courant d’excitation J dans l’enroulement de l’inducteur. Lorsque ce courant continu est fourni par une source indépendante, c’est-à-dire séparée de la machine, on dit que la génératrice est à excitation indépendante ou à excitation séparée (fig.3.1).

Fig. 3.1

Génératrice à excitation en dérivation

L’enroulement induit et l’enroulement inducteur sont montés en parallèle: l’induit générateur alimente l’enroulement d’excitation de la machine qu’on appelle auto-excitée (fig.3.2).

L’enroulement inducteur comporte un grand nombre de spires en fil fin, le courant admis sous la tension U ne devant dériver que de 2% à 5% environ du courant total.

Exemple:Machine 3 kW, 220 V, I = 16,5 A, J = 0,56 A

Résistances à froid: R_inducteur = 270 Ω; R_induit = 1,84 Ω

Fig. 3.2

Génératrice à excitation série

L’enroulement inducteur est en série avec l’induit et ne doit entraîner qu’une chute de tension de 3% environ, il a donc une faible résistance et comporte peu de spires de gros fil (fig.3.3).

Exemple:Machine 3 kW, 220 V, I = 15 A

Résistances à froid: R_inducteur = 0,55 Ω; R_induit = 1,1 Ω

Fig. 3.3

1. Génératrice à excitation composée

C’est la combinaison des deux modèles précédents. Les deux enroulements peuvent

être montés en courte dérivation (fig.3.4a) ou en longue dérivation (fig.3.4b). Les flux peuvent s’ajouter (flux additifs) ou se retrancher (flux soustractifs).

Il faut noter que ce mode d’excitation est actuellement peu utilisé dans l’industrie.

a) Les enroulements montés en “courte dérivation” (flux additifs)

b) Les enroulements montés en “longue dérivation” (flux soustractifs)

Fig. 3.4

IV.Essais des génératrices

IV.1. Marche à vide

1. La caractéristique à vide

Quand une dynamo à excitation indépendante tourne à vide, c’est-à-dire lorsqu’elle n’est raccordée à aucun circuit extérieur et que l’induit ne débite aucun courant, une variation du courant d’excitation ou de la vitesse de rotation entraîne une variation correspondante de la tension induite.

Effet du courant d’excitation : Si on augmente le courant d’excitation, la f.m.m. del’enroulement d’inducteur augmente, ce qui augmente le flux dans la machine. Par conséquent, les conducteurs coupent un plus grand nombre de lignes par seconde et la tension aux bornes de l’induit (entre les balais) augmente. Lorsque ce courant est faible, la perméabilité de l’entrefer étant constante, le flux croît proportionnellement au courant d’excitation. Mais, lorsque le fer de l’inducteur et de l’induit se saturent, la perméabilité diminue et le flux ne croît plus. On dit que la machine est saturée.

Si on trace la valeur de la tension induite en fonction du courant d’excitation, la vitesse de rotation étant maintenue constante, on obtient la courbe de saturation de la génératrice (fig.4.1).

Fig. 4.1

On peut donc faire varier la tension induite à volonté en faisant varier le courant d’excitation. La tension nominale de la machine est habituellement située un peu plus haut que le “coude” de la courbe de saturation.

Quand les bornes du circuit d’excitation sont inversées, le courant circule en sens inverse dans l’enroulement d’excitation, ce qui entraîne le changement de la polarité de la tension induite.

Effet de la vitesse de rotation : Lorsqu’on augmente la vitesse de rotation sansfaire varier le courant d’excitation, le nombre de lignes coupées par seconde augmente en proportion, ce qui augmente la tension induite. La tension E est proportionnelle à la vitesse de rotation de l’induit (fig. 4.2).

E₁ = (p/a) NΦ n₁

⇒ E₁ / E₂ = n₁ / n₂

E₂ = (p/a) NΦ n₂

Quand on change le sens de rotation, la polarité de la tension induite change aussi.

Si on change à la fois la polarité de la tension d’excitation et le sens de rotation, la polarité de la tension induite ne change pas.

Fig. 4.2

1. Réglage de la tension induite :

Quand il s’agît d’une génératrice à excitation en dérivation (excitation shunt), dont le grand avantage réside dans le fait qu’elle n’exige aucune source extérieure, on peut facilement régler la valeur de la tension induite au moyen d’une résistance variable intercalée en série avec l’enroulement de l’inducteur (fig. 4.3) Cette résistance variable porte le nom de rhéostat d’excitation.

La tension E prend sa valeur nominale quand le curseur p du rhéostat est au milieu.

Si on déplace le couseur vers l’extrémité m, la valeur de la résistance diminue, donc le courant d’excitation augmente, le flux augmente aussi, donc la tension induite augmente. Si on déplace le curseur vers l’extrémité n il se passe l’inverse et la tension induite diminue.

Fig. 4.3

Si l’on connaît la courbe de saturation et la résistance totale R_t du champ et du rhéostat, on peut facilement déterminer la valeur de la tension induite. Il suffit de tracer sur le graphique de la courbe de saturation, une droite correspondant à la résistance R_t. Le point de coupure de cette droite avec la courbe correspond à la tension induite. Par exemple (fig.4.4), si la résistance de l’inducteur est de 50 Ω et si celle du rhéostat est nulle, la droite passe par le point E = 50 V, I = 1 A. Cette droite coupe la courbe de saturation à un point correspondant à une tension de 150 V.

Etant donné que la résistance du rhéostat est nulle, cela représente la tension maximale que peut atteindre la génératrice à excitation shunt. En déplaçant le couseur p, la résistance de l’inducteur augmente et lorsqu’elle est de 120 Ω on obtient une nouvelle droite coupant la courbe à une tension E₀ = 120 V.

Fig. 4.4 Méthode pour déterminer la valeur de la tension induite

IV.2. Marche en charge

L’induit d’une génératrice est formé d’un grand nombre de conducteurs ayant une certaine résistance. On appelle résistance de l’induit celle que l’on peut mesurer entre les balais de la machine. Elle est généralement très faible (souvent de l’ordre du centième d’ohm); elle dépend essentiellement de la puissance et de la tension de la machine.

On peut donc représenter le circuit de l’induit par une résistance R_a en série avec une tension E₀, cette dernière représentant la tension induite (fig.4.5a). Lorsque la machine tourne à vide, la tension entre les balais E_c est égale à la tension induite E₀, car la chute de tension dans la résistance de l’induit est nulle puisqu’il n’y circule aucun courant.

Par contre, lorsque l’on relie l’induit à une charge, ce courant de la charge I provoque une chute de tension dans la résistance R_a. La tension E_c obtenue entre les balais (et par conséquent aux bornes de la charge) est inférieure à la tension induite E₀.

(fig.4.5b)

A mesure que la charge augmente, la tension aux bornes de la charge diminue progressivement. Le graphique représentant cette variation de la tension pour les différentes valeurs du courant débité porte le nom de caractéristique en charge. Outre la résistance de l’induit, le phénomène de réaction de l’induit fait aussi baisser la tension aux bornes de la génératrice. En effet, le passage du courant dans les conducteurs de l’induit donne naissance à une f.m.m. qui tend à déformer et à réduire le flux provenant des pôles. Cet affaiblissement du flux provoque une diminution correspondante de la tension induite E₀ et, par suite, de la tension aux bornes.

Dans le cas d’une génératrice shunt (à excitation en dérivation), la variation de la tension aux bornes avec le courant débité est plus grande que dans le cas d’une génératrice à excitation indépendante. En effet, la tension induite dans cette dernière est à peu près constante. Ce n’est pas le cas pour la génératrice shunt, car le courant d’excitation et le flux diminuent à mesure que la tension entre les bornes s’abaisse

Pour la génératrice shunt, la baisse de tension entre les conditions à vide et les conditions de pleine charge est de l’ordre de 15%, tandis que pour une génératrice à excitation indépendante, elle est seulement de l’ordre de 10%.

EXERCICE:

Une génératrice à excitation indépendante de 150 kW, 250 V, 350 tr/min a les caractéristiques suivantes:

On estime qu’en pleine charge, la réaction de l’induit diminue le flux d’environ 3%. La tension à vide est ajustée à 260 V. Calculer la valeur de la tension aux bornes lorsque la génératrice débite son courant nominal.

Solution:

Le courant nominal est:

I_n = P_n / U_n = 150000 / 250 = 600 A

La chute de tension dans l’induit est: = R_induit x I_n = 0,015 x 600 = 9 V

La chute de tension dans les pôles de commutation est:= R_commutation x I_n = 0,010 x 600 = 6 V

A cause de la réaction d’induit, la tension induite sous charge est de 3% inférieure à celle induite à vide. Donc, E₀ sous charge vaut:

E₀ = 97% x 260 V = 252 V

et la tension aux bornes de la génératrice est:

E = E₀ - 9 - 6

E = 252 - 9 - 6 = 237 V

Moteurs à courant continu et leurs caractéristiques :

Lesmoteurs à courant continu sont des appareils qui transforment l’énergieélectrique en énergie mécanique. La construction des moteurs est identique à celle des génératrices, de sorte qu’une machine à courant continu est réversible, c’est-à-dire peut servir indifféremment comme moteur ou comme génératrice.

L’usage des moteurs à courant continu est plutôt restreint, car la distribution se fait à courant alternatif. Cependant, pour certaines applications il est parfois avantageux d’installer des convertisseurs transformant le courant alternatif en courant continu et d’utiliser des moteurs à courant continu. La supériorité de ces moteurs réside dans le fait qu’ils se prêtent facilement à un contrôle souple, continu et presque instantané de leur vitesse.

Les moteurs à courant continu ont les mêmes modes d’excitation que les génératrices. On distingue donc:

• les moteurs à excitation indépendante
• les moteurs à excitation à dérivation (excitation shunt)
• les moteurs à excitation série
• les moteurs à excitation compound

De plus, tout comme pour les génératrices, la réaction d’induit se manifeste dans les moteurs, produisant une distorsion et un affaiblissement du flux provenant des pôles, à mesure que la charge augmente. Les problèmes de commutation existent

également, c’est pourquoi les moteurs de puissance supérieure à 1 kW contiennent toujours des pôles de commutation.

V.1.  Couple électromagnétique

Dans une machine à courant continu présentant les caractéristiques suivantes:

Supposons que la machine fonctionne en charge, c’est-à-dire que son enroulement d'induit soit parcouru par un courant I: chaque voie, et par suite chaque conducteur actif, est le siège du courant I/2a. Les conducteurs, placés dans le champ magnétique sont soumis à des forces électromagnétiques dont la direction est pratiquement tangente au rotor et qui sont toutes de même sens par rapport à ['axe

(puisque le sens du courant se renverse quand un conducteur passe d'un pôle sous le suivant).

Lorsque le rotor tourne d'un pas d'encoches (chaque encoche prenant la place de la précédente), il se trouve exactement dans la même disposition par rapport au stator: le couple T, dû à l'ensemble des forces électromagnétiques, reprend rigoureusement la même valeur, ainsi lorsque le temps s’écoule, T ondule très peu autour de sa

valeur moyenneT (on signale que nous confondrons T et T ).

La valeur du couple électromagnétique T est calculée en utilisant l’expression du travail des forces électromagnétiques.

Lorsqu’un conducteur actif passe sous un pôle, c’est-à-dire va d’une ligne neutre (où

B = 0) à la ligne neutre suivante, il coupe le flux Φ dû à l’ensemble des lignes de champ intéressant ce pôle (fig.5.1).

Fig. 5.1

Φ est appelé flux utile par pôle pour une machine donnée, il ne dépend que du courant dans l’enroulement inducteur. Le conducteur considéré étant parcouru par le courant I/2a la force électromagnétique qui s’exerce sur lui accomplit un travail

(I / 2a) (flux coupé) = (I / 2a)Φ

Lorsque le rotor fait un tour complet, le conducteur passe sous 2p pôles: le travail de la force est 2p fois plus grand que précédemment

2p (I / 2a) Φ = (p/a) Φ I

Le rotor comportant N conducteurs, le travail de l’ensemble des forces électromagnétiques, pour 1 tour, est

N (p/a) (Φ I) = (p/a) N Φ I

Or, puisque T est le couple dû à toutes ces forces électromagnétiques, le travail pour 1 tour peut s’écrire T (2π); d’où:

T (2π) = (p/a) N Φ I

T = (1/2π) (p/a) NΦ I(Φ en Wb; I en A; T en Nm).

V.2.  Réversibilité de la machine à courant continu

On va faire fonctionner la machine à courant continu successivement en moteur puis en générateur (dynamo).

a) Fonctionnement en moteur :

La machine à courant continu est accouplée à un dispositif mécanique qui exerce sur son arbre un couple résistant T_r.

Un générateur débite dans le moteur un courant I: les forces de Laplace s’exercent sur les conducteurs logés dans les encoches. Le rotor tourne à la fréquence n (tr/s) dans le sens de ces forces qui sont donc des forces motrices: le couple électromagnétique T est moteur.

La rotation du rotor entraîne la création, dans son enroulement, de la f.é.m. induite E; d’après la loi de Lenz E est de sens contraire au courant I (on lui donne parfois le nom de “force contre-électromotrice”, f.c.é.m.).

Si R est la résistance de l’enroulement d’induit, la loi d’Ohm s’écrit:

U = R I + E

La puissance électrique U I fournie par le générateur au moteur est la somme de deux termes:

U I = R I² + E I

où:R I² = les pertes par effet Joule dans l’enroulement de l’induit;

P_e = E I = la puissance, dite électromagnétique.

Cette puissance peut être exprimée sous forme:

P_e = E I = (p/a) (NΦn) I

et transformée comme:

P_e = E I = (1/2π) (p/a) (NΦI) 2πn

soit

P_e = T (2πn)

La puissance électromagnétique, égale au produit du couple électromagnétique T par la vitesse angulaire de rotation 2πn, passe intégralement de la forme électrique

E I à la forme mécanique T (2πn).

E I⇒moteur⇒T (2πn)

Mais la puissance mécanique T (2πn) n’est pas entièrement disponible sur l’arbre du moteur:

• des pertes magnétiques P_mag (dues à l’hystérésis et aux courants de Foucault) se produisent dans les tôles du rotor par suite de leur déplacement devant les pôles du stator;
• des pertes mécaniques P_méc ont lieu au niveau des paliers soutenant l’arbre du moteur.

La puissance utile P_u, c’est-à-dire la puissance dont on dispose sur l’arbre, est la différence

P_u = P_e - (P_mag + P_méc)

Il en résulte que le couple utile T_u appliqué par le moteur à la machine qu’il entraîne, est légèrement inférieur au couple électromagnétique T

T_u (2πn) = T (2πn) - (P_mag + P_méc)

T_u  = T - (P_mag + P_méc) / (2πn)

La différence entre T et T_u est appelé couple de pertes T_p

T_u = T - T_p

En conclusion, l’ensemble tourne à la vitesse de rotation n telle que

T_u = T_r

Le bilan de puissance du moteur à courant continu peut alors être représenté par le tableau suivant:

Puissance électrique absorbée

U I

Pertes par effet

Joule R I²

Puissance électromagnétique

E I = T (2pn)

Puissance utile

Pu = Tu (2pn)

Il faut remarquer que le couple T_p est généralement très inférieur à T et l’on confond souvent le couple électromagnétique T = (1/2π) (p/a) NΦ I avec le couple utile T_u.

b) Fonctionnement en dynamo :

Si un moteur auxiliaire est accouplé à la machine à courant continu et exerce sur son arbre un couple moteur T_m : l’ensemble tourne à la fréquence n si bien qu’une f.é.m. E est induite dans le rotor.

Si l’enroulement d’induit est fermé sur un circuit extérieur le courant I circule dans le sens de E; la tension qui apparaît entre les bornes de l’induit est :

U = E - R I

Une partie de la puissance T_m (2πn) est consommée par suite des pertes mécaniques P_méc et des pertes magnétiques P_mag ; le reste, c’est-à-dire la puissance

électromagnétique P_e qui est :

P_e= T_m (2πn) - (P_mag + P_méc) = T (2πn)

passe de la forme mécanique T (2πn) à la forme électrique E I P_e = T (2πn) = E I

La machine fonctionne en générateur

T (2πn)⇒générateur  ⇒E I

Le bilan de puissance établi précédemment est valable pour le fonctionnement en générateur à condition de le lire de bas en haut et de remplacer T_u par T_m.

V.3.  Caractéristiques des moteurs électriques

V.3.1.Importance de la caractéristique mécanique

a) Définition

On appelle caractéristique mécanique d’une machine la courbe qui exprime le moment du couple sur l’arbre en fonction de la vitesse.

Cette caractéristique est particulièrement importante car, comme elle ne fait intervenir que des grandeurs mécaniques (le couple et la vitesse), elle est commune à toutes les machines, que ce soit des moteurs ou des appareils entraînés. Dans le premier cas, il s’agit du couple moteur T_m en fonction de la vitesse, soit T _m = f(n).

Dans le deuxième cas, c’est le couple résistant T_r en fonction de la vitesse, soit T_r = f(n). En effet, quand on veut étudier les propriétés d’un moteur électrique, on ne peut pas faire abstraction de la machine qu’il aura à entraîner.

SOMMAIRE

RESUME THEORIQUE .......................... 7

I. Génératrices à courant continu .................. 8

I.1. Constitution ...................... 8

II. Propriétés des machines à courant continu................. 13

II.1. Force électromotrice induite .............. 13

II.2. Réaction d’induit............. 14

II.3. Pôles de commutation....................... 15

III. Différents modes d’excitation d’une machine à courant continu .................... 16

IV. Essais des génératrices........................ 18

IV.1. Marche à vide ............. 18

IV.2. Marche en charge.......................... 21

V. Moteurs à courant continu et leurs caractéristiques : ..................... 23

V.1. Couple électromagnétique ................ 23

V.2. Réversibilité de la machine à courant continu ...... 25

V.3. Caractéristiques des moteurs électriques ............ 27

V.3.1. Importance de la caractéristique mécanique.................... 27

V.3.2. Caractéristiques du moteur à excitation séparée ............. 30

V.3.3. Caractéristiques du moteur à excitation shunt ................. 33

V.3.4. Caractéristiques du moteur série : ................ 33

V.4. Choix d’un moteur à courant continu - caractéristiques mécaniques ......... 36

VI. Performances des moteurs................... 37

VI.1. Moteur shunt............... 37

VI.1.1. Démarrage .............. 37

VI.1.2. Variation de la vitesse ................ 39

VI.1.3. Freinage.................. 41

VI.1.4. Inversion du sens de la marche .................... 43

VI.2. Moteur série................ 43

VI.2.1. Démarrage .............. 43

VI.2.2. Réglage de la vitesse................. 44

VI.2.3. Freinage et inversion du sens de la marche .................... 45

VII. Démarrage semi-automatique des moteurs à courant continu ... 47

VII.1. Moteur à excitation en dérivation :.................... 47

VII.2. Moteur à excitation en série:.......... 49

VII.3. Moteur à excitation composée:...... 51

VIII. Installation et dépannage des machines à courant continu ........ 53

VIII.1. Pose des machines ....................... 53

VIII.2. Entraînement des machines .......... 54

VIII.3. Raccordement des canalisations au moteur..... 57

VIII.4. Entretien et réparation des machines électriques................ 58

VIII.5. Démontage, vérification mécanique et électrique ................ 58

VIII.6. La méthode de diagnostic.............. 61

VIII.7. Exemple de diagnostic................... 62

GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES........................ 64

TP-1. Génératrice à excitation indépendante........... 65

TP-2. Démarrage semi-automatique de moteur à excitation shunt................ 71

TP-3. Démarrage semi-automatique d’un moteur à excitation série .............. 73

TP-4. Réglage de la vitesse d’un moteur série ........ 76

TP-5. Freinage électrique d’un moteur série............ 78

Evaluation de fin de module.................. 81