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M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► MACHINE A COURANT CONTINU
MACHINE A
COURANT CONTINU
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► SOMMAIRE
SOMMAIRE
Généralités
Moteur à excitation indépendante
Moteur à excitation série
Applications
Caractéristiques
Fonctionnement en génératrice
Variation de vitesse
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► GENERALITES ► APPLICATIONS
APPLICATIONS
Applications courantes :
Très faible puissance liée à la mobilité (fonctionnement sur batterie) :
Vibreur de téléphone,
Divers micro actionneur…
Très forte puissance (>250kW) et besoin d’une variation de vitesses :
Extrudeurs, mélangeurs, laminoirs,
Machines d’imprimerie,
Machines d’enroulage (aciéries, papeteries...),
Machines de tréfilage,
Machines de cimenteries,
Moteurs de traction ferroviaire,
Remontées mécaniques (télésièges, téléski, téléphériques),
Bancs d’essais, levage, portiques, grues, ascenseurs…
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► GENERALITES ► AVANTAGES
AVANTAGES
Robustesse (sous réserve de changer les pièces d’usure).
Fonctionnement en mode dégradé permettant une continuité de
service.
Fiable.
Maintenance aisée (pannes faciles à détecter et à résoudre).
Pilotage simple.
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► GENERALITES ► CONSTITUTION
CONSTITUTION
La machine à courant continu est constitué de deux ensembles :
L’inducteur, en général fixe, appelé aussi stator, qui crée le champ
magnétique.
Cet inducteur peut-être constitué d’aimants permanents ou d'une
bobine.
L’induit, en général mobile, appelé aussi rotor.
Le rotor est bobiné et lorsqu’il tourne, il se crée à ses bornes une
tenson induite E. Un système collecteur/balais permet de récupérer
la tension E.
La machine à courant continu est une machine réversible. Elle peut
fonctionner soit en génératrice, soit en moteur.
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► GENERALITES ► CONSTITUTION
CONSTITUTION
Borne
Plaque à bornes didactique
Roulement
Anneau de manutention
Roulement
Balais
Induit
Collecteur
Turbine de ventilation
Flasque palier côté bout d'arbre
Stator
Porte de visite
Flasque palier
côté collecteur
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► GENERALITES ► CONSTITUTION
CONSTITUTION
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► GENERALITES ► SYMBOLE
Machine à excitation
indépendante :
M
=
Inducteur
SYMBOLE
Symbole :
Induit
M
Machine à excitation série :
=
M
=
Inducteur
Induit
Machine à excitation
parallèle :
M
=
Inducteur
Induit
Inducteur
Induit
L’inducteur peut être alimenté :
De façon indépendante : machine à excitation indépendante ;
En série : machine à excitation série ;
En parallèle : machine à excitation parallèle.
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► GENERALITES ► FONCTIONNEMENT
FONCTIONNEMENT
Le schéma suivant décrit le fonctionnement de la machine à courant
continu :
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► GENERALITES ► MODELE EQUIVALENT
MODELE EQUIVALENT
Schéma équivalent
de l’inducteur :
Schéma équivalent
de l’induit :
E
M
r
=
Inducteur
Induit
R
L
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► GENERALITES ► FORCE ELECTROMOTRICE
FORCE ELECTROMOTRICE
L’inducteur crée un flux électromagnétique Φ.
Le rotor est composé de N conducteurs et tourne à la vitesse angulaire Ω
(rad/s).
N .Φ.Ω
L’expression de la f.e.m. est : E =
2π
N
Si on pose la constante : K =
2π
Alors : E = K .Φ.Ω
Par conséquent, si le flux est constant, la f.e.m. induite E est strictement
proportionnelle à la vitesse de rotation n.
E = k .n
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► GENERALITES ► COUPLE ELECTROMAGNETIQUE
COUPLE ELECTROMAGNETIQUE
L’induit étant alimenté par un courant I, la puissance électromagnétique
vaut :
PE = E.I
Le rotor tournant à une vitesse
électromagnétique TEM qui vaut :
Ω,
on
produit
un
couple
PE = TEM .Ω
Par conséquent :
TEM = K .Φ.I
Le couple électromagnétique est proportionnel au courant d’alimentation
d’induit.
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► MODELE ELECTRIQUE
MODELE ELECTRIQUE
L'inducteur est alimenté par une tension u et est parcouru par un courant
i (sauf si l'inducteur est constitué d’aimants permanents).
L'induit est alimenté par une tension U et est parcouru par un courant I.
Modèle électrique du moteur à excitation indépendante :
On peut écrire au niveau de l’induit :
U = E + R.I
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
Puissance absorbée par le moteur :
PA = U .I + u.i
Remarque : Si l’inducteur est constitué d’aimants permanents, u.i = 0.
On supposera que le flux Φ est directement proportionnel au courant
d’alimentation d’inducteur i.
Il y a présence de pertes par effet joule au niveau de l’inducteur
(excitation) et de l’induit :
PJE = u.i = r.i 2
PJI = R.I 2
La puissance électromagnétique vaut :
PEM = PA − PJE − PJI = E.I
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
Lors d'un essai à vide, on peut déterminer les pertes collectives PC qui
représentent la somme des pertes magnétiques ou pertes fer PF ainsi
que les pertes mécaniques PM soit :
PC = PF + PM
On définit le couple de pertes :
TP = TEM
PC
− TU =
Ω
La puissance utile disponible sur l’arbre vaut :
PU = PA − PJE − PJI − PC
On en déduit le rendement de la machine :
PU
PU
=
η=
PA PU + r.i 2 + R.I 2 + PC
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► MOTEUR A EXCITATION INDEPENDANTE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
Bilan des puissances :
PEM = E.I
PA = U .I + u.i
TEM
PEM
=
Ω
PJE = r.i 2
PJI = R.I 2
PU
PU
TU =
= TEM − TP
Ω
PC = PF + PM
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► MODELE ELECTRIQUE
MODELE ELECTRIQUE
L'inducteur et l’induit sont placé en série et alimentés par une tension U
et sont parcourus par un courant I.
On peut écrire au niveau de l’induit :
U = E + (R + r ).I
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► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
Puissance absorbée par le moteur :
PA = U .I
Il y a présence de pertes par effet joule au niveau de l’inducteur
(excitation) et de l’induit :
PJE = r.I 2
PJI = R.I 2
La puissance électromagnétique vaut :
PEM = PA − PJE − PJI = E.I
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
Lors d'un essai à vide, on peut là aussi déterminer les pertes collectives
PC qui représentent la somme des pertes magnétiques ou pertes fer PF
ainsi que les pertes mécaniques PM soit :
PC = PF + PM
On définit le couple de pertes :
TP = TEM
PC
− TU =
Ω
La puissance utile disponible sur l’arbre vaut :
PU = PA − PJE − PJI − PC
On en déduit le rendement de la machine :
PU
PU
=
η=
PA U .I
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► MOTEUR A EXCITATION SERIE ► BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
BILAN ENERGETIQUE & RENDEMENT
Bilan des puissances :
PEM = E.I
PA = U .I
TEM
PEM
=
Ω
PJE = r.I 2
PJI = R.I 2
PU
PU
TU =
= TEM − TP
Ω
PC = PF + PM
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► CARACTERISTIQUES ► DEMARRAGE
DEMARRAGE
La f.e.m. est proportionnelle à la vitesse par conséquent elle est nulle au
démarrage : E=0.
Pour un moteur à excitation séparée :
→ I Dem
U = R.I Dem 
U
=
R
Etant donné que R est petite, le courant de démarrage est grand. Il
diminue cependant au fur et à mesure que le moteur accélère.
Ce courant est source de détérioration du moteur, on essaie de limiter ce
courant :
Par adjonction en série d'une résistance de démarrage que l'on
diminue progressivement;
Par augmentation progressive de la tension d'induit (démarreur).
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► CARACTERISTIQUES ► DEMARRAGE
DEMARRAGE
Si le moteur doit démarrer avec une charge de couple résistant TR, le
courant de démarrage doit être :
I Dem
TR
>
K .Φ
Pour démarrer un moteur à excitation indépendante, il faut d’abord
mettre l'inducteur sous tension et ensuite seulement mettre l'induit sous
tension.
Si le moteur est à vide, il faut toujours couper la tension de l'induit puis
celle de l'inducteur sinon on risque de produire un emballement du
moteur.
Pour un moteur à excitation série :
Le moteur doit démarrer en charge.
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► CARACTERISTIQUES ► PLAN COUPLE/VITESSE
PLAN COUPLE/VITESSE
PEM = E.I = TEM .Ω
E = K .Φ.Ω
Pour un moteur à excitation indépendante dont le flux Φ, la tension
d’alimentation U et le couple de pertes TP sont des constantes :
TEM = K .Φ.I
TU = TEM − TP
TEM
K .U K 2
=
−
Ω
R
R
TU = TEM − TP
T(I)
T(n)
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► FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE
FONCTIONNEMENT EN GENERATRICE
Exemple de la génératrice à excitation indépendante :
Equation de fonctionnement :
U = E − R.I
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► VARIATION DE VITESSE ► VARIATEUR IRREVERSIBLE
VARIATEUR IRREVERSIBLE
Remarque :
Il existe deux grandes familles :
Un variateur irréversible Variateurs irréversibles (ou unidirectionnels) : transfert d’énergie dans le
ne peut fonctionner que sens réseau ⇒ moteur + charge ;
dans les quadrants et
Si l’ensemble moteur + charge présente une inertie faible, l’arrêt se fera
.
en roue libre. Si l’inertie est forte, un frein mécanique ou électrique
(dissipation de l’énergie dans des résistances avec une machine
fonctionnant en génératrice) est nécessaire.
T
Génératrice
Moteur
n
Moteur
Génératrice
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► VARIATION DE VITESSE ► VARIATEUR REVERSIBLE
VARIATEUR REVERSIBLE
Variateurs réversibles (ou bidirectionnels)
bidirectionnel réseau ⇔ moteur + charge ;
:
transfert
d’énergie
Lors d’un freinage, la machine renvoie de l’énergie sur le réseau par
l’intermédiaire du variateur. Le rendement est optimisé.
Les 4 quadrants du plan couple/vitesse sont alors utilisables.
T
Génératrice
Moteur
n
Moteur
Génératrice
M2204 MOTORISATION ELECTRIQUE
► VARIATION DE VITESSE ► SYMBOLE
SYMBOLE
Symbole :
Convertisseur continu/continu : hacheur
=
=
Convertisseur alternatif/continu : redresseur commandé
≈
=
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► VARIATION DE VITESSE ► CARACTERISTIQUES
CARACTERISTIQUES
Quelques fonctions communes à la plupart de variateurs (pour MCC,
mais aussi MAS ou MS) :
Limiteurs de surintensité et de surtension,
Sécurités thermiques pour le variateur et la machine,
Pilotage par API ou PC par liaison propriétaire ou en réseau,
Boucles de régulation de vitesse et de couple,
Limiteurs d’accélération et/ou de freinage.
La configuration s’effectue soit à distance (réseau) soit via une IHM sur
le variateur.