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BTS Electrotechnique (deuxième année)

MCC

MACHINE A COURANT CONTINU

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3. Les machines à courant continu : modes de fonctionnement

3.1. Production du flux : les différents modes d'excitation

Les deux équations de fonctionnement de la machine à courant continu, E = K.Φ.Ω et T = K.Φ.I dépendent du flux magnétique Φ. Pour un meilleur fonctionnement possible, il faut que le flux magnétique inducteur soit le plus grand possible. Pour créer ce flux magnétique, nous allons voir les deux modes d'excitation principalement utilisés pour la machine à courant continu.

schéma d'une machine à excitation indépendante
Fig 1

Machine à excitation indépendante ou séparée : le flux magnétique est crée indépendamment de la tension de l'induit. Il faut pour cela deux sources séparées, une pour alimenter l'inducteur et créer le flux, l'autre pour alimenter l'induit. L'inducteur est représenté par sa bobine inductrice, les grandeurs électrique qui le concerne sont, par convention, notées avec des lettres minuscules, suivies éventuellement d'un indice e. L'induit est représenté par un rotor tournant alimenté par les balais, les grandeurs électriques qui le concerne sont, par convention notées avec des lettres majuscules.

Lorsque la machine fonctionne moteur, le courant d'induit tel que fléché sur la figure 1 est positif. Lorsque la machine fonctionne en génératrice, le courant d'induit tel que fléché sur la figure 1 est négatif.

Schéma en excitation série
Fig 2

Machine à excitation série (réservée au fonctionnement moteur) : le flux magnétique est crée grâce au courant circulant dans l'induit. Une seule source suffit pour alimenter l'induit et l'inducteur, mais le flux magnétique dépend directement du courant d'induit, donc de la charge du moteur : a vide, le moteur n'a pas à fournir de couple utile, le couple électromagnétique est donc très faible, le courant d'induit et d'inducteur aussi donc le flux est presque nul. Le moteur à excitation série ne peut fonctionner qu'en charge.

3.2. Production du flux : la réaction magnétique de l'induit

Le flux magnétique est créé par le courant inducteur, mais le courant induit crée lui aussi un flux magnétique. Ce flux d’induit perturbateur est appelé « réaction magnétique de l’induit ». Cette réaction magnétique de l’induit est néfaste car elle décale la ligne neutre de façon variable avec l’intensité du courant d’induit, ce qui augmente les problèmes liés à la commutation (étincelles et usure prématurés des balais-collecteurs) et crée une chute de tension supplémentaire à l’induit en charge. Ainsi, dans tous les moteurs modernes, cette réaction magnétique d’induit est annulée (compensée) par des enroulements supplémentaires à l’induit de la machine, parcourue par ce courant d’induit et appelés « enroulements de compensation).

3.3. Les variations de la force électromotrice

3.3.1. Caractéristique à vide

La première étape consiste à déterminer la valeur de la force électromotrice E induite aux bornes du rotor. Cette fem est créée grâce aux flux magnétiques de l'inducteur, lui même généré par le courant inducteur ie.

Essai à vide
Fig 3 : Essai à vide

Pour cela, allons tracer les variations de la fem de l'induit E en fonction du courant inducteur ie. Les conditions expérimentales sont les suivantes (cf figure 3) : la machine fonctionne en génératrice à excitation indépendante fonctionnant à vide (pas de charge aux bornes de l'induit) entraînée à vitesse de rotation nominale par un moteur d'entraînement. On mesure la valeur de la fem au fur et à mesure de l'augmentation du courant inducteur. Cette manipulation s'appelle « essai à vide » .

Caractéristique à vide
Fig 4 : caractéristique à vide

La courbe obtenue s'appelle « caractéristique à vide » de la machine à courant continu (figure 4).

La caractéristique à vide a la même forme que la courbe de première aimantation du circuit magnétique. Elle est valable si le circuit magnétique de la machine n'a jamais été aimanté ou s'il a été totalement désaimanté. Elle donne les propriété magnétique de la machine.

Comme pour la courbe de première aimantation, on distingue trois zone :

Rémanence
Fig 5 : force éléctromotrice rémanente

Quand on diminue le courant d'excitation après aimantation du circuit magnétique, en raison du phénomène d'hystérésis magnétique, la fem est plus élevée que lors de la première aimantation. Après aimantation, alors que l'excitation est nulle, il existe une fem dites « rémanente » aux bornes de la machine.

3.3.2. Influence de la vitesse de rotation

La deuxième étape consiste, à courant d'excitation nominal (constant) de faire varier la vitesse de rotation de la génératrice à courant continu pour voir l'évolution de la fem en fonction de cette vitesse de rotation.

Courbe fem-vitesse
Fig 6 : Variation de la fem en fonction de vitesse de rotation
à courant d'excitation constant.

Il y a proportionnalité entre la vitesse de rotation Ω et la fem E de la machine comme l'indique la relation E = K.Φ.Ω.

Cette caractéristique représente la grande qualité de la machine à courant continu : il y a proportionnalité entre la fem et la vitesse de rotation. L'un règle l'autre. En moteur, la vitesse de rotation est directement réglée par la fem de l'induit, soit presque la tension d'alimentation du moteur. La machine à courant continu est très facile à régler.

3.4. Le schéma équivalent de l'induit

Schéma équivalent en moteur
Fig 7 : Schéma équivalent
« de Thévenin » de l'induit
en fonctionnement moteur
(le courant est absorbé).
Schéma équivalent en génératrice
Fig 8 : Schéma équivalent
« de Thévenin » de l'induit
en fonctionnement génératrice
(le courant est fourni).

Electriquement, l'induit se comporte comme la mise en série de sa fem E et de la résistance équivalente au circuit de l'induit R constitué des conducteurs, des balais et du collecteur. Le schéma équivalent de l'induit est donné figure 7. Il s'agit d'un modèle de Thévenin.

Le schéma équivalent de l'induit implique la relation électrique de Thévenin de l'induit, pour une machine à excitation indépendante :

En fonctionnement génératrice : U = E - R.I

En fonctionnement moteur : U = E + R.I

3.5. Bilan de puissance en génératrice à excitation indépendante

Puissance absorbée : Pa

A l'inducteur, puissance absorbée sous forme électrique : Pae = ue.ie = r.ie² ; où r est la résistance de l'inducteur. La puissance absorbée par l'inducteur est entièrement perdue par effet Joule. La puissance absorbée à l'inducteur n'existe pas pour les machines à aimants permanents.

A l'induit, puissance absorbée sous forme mécanique à l'induit : Pai = TM ; où TM est le moment du couple mécanique délivrée par le moteur d'entraînement en N.m et Ω la vitesse de rotation en rad/s.

Au total : Pa = Pai + Pei

Puissance électromagnétique : Pem = E.I = Tem

Puissance utile : Pu = U.I . Il s'agit de la puissance électrique délivrée par la génératrice à sa charge électrique.

Puissance perdue : c'est l'ensemble des pertes dans la machine.

Les pertes fer, pf, représentent l'ensemble des pertes magnétiques ayant lieux dans le circuit magnétique de la machine : pertes par hystérésis et pertes par courants de Foucault.

Les pertes mécaniques, pméca, représente la puissance perdue due aux frottement mécanique sur l'arbre de rotation.

Les pertes Joule à l'inducteur : pJe = ue.ie = r.ie². On retrouve la puissance absorbée à l'inducteur.

Les pertes Joule à l'induit : pJi = R.I².

La synthèse du bilan de puissance est donnée sur la figure ci-dessous, appelée « arbre des puissances » :

Arbre des puissances en génératrice
Fig 9 : Arbre des puissances pour un fonctionnement en génératrice à excitation indépendante

L'arbre des puissances se lit comme suit :
toute puissance située dans un cadre à gauche est égale à la somme des puissance située à sa droite.
Par exemple, Pem = Pu + pji ; ou
Pai = Pu + pméca + pf + pji .

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Commentaires (2)

erreur
j'ai trouvé une erreur concernant le bilan de puissance
Pu = Pai + pméca + pf + pji

non c'est faute
la bonne réponse c'est
Pu = Pa-pméca - pf - pji-pie
pu=pem-pc
avec pem=pa-pji-pie
et pc(pertes collective)=pf+pm

et merci
#1 - zidane - 11/07/2013 - 16:20
@ Zidane
Merci beaucoup Zinedine pour ce coup de boule !
C'est corrigé !
#2 - O. Wajsfelner - 11/07/2013 - 17:53
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