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BTS Electrotechnique (deuxième année)

MCC

MACHINE A COURANT CONTINU

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5. Le moteur à excitation série

5.1. Schéma équivalent et relations

Pour le moteur à courant continu à excitation série, l’induit et l’inducteur sont branchés en série, ce qui donne le schéma suivant (fig1)  et donc le schéma équivalent suivant (modèle de Thévenin) (fig 2) :

schéma d'une machine à excitation série

Rt est la résistance totale du moteur, elle est égale à la somme des résistances d’ induit R et d’inducteur :

Rt = R + r

Rtse mesure en mesurant r et R indépendamment l’une de l’autre par une méthode voltampèremétrique.

Voici par conséquent les équations de fonctionnement du moteur série :

Equations électromagnétiques : E = K.Φ.Ω et Tem = K.Φ.I

Equation électrique : U = E + Rt.I

La différence avec le moteur à courant continu à excitation indépendante est que le flux magnétique est produit par le courant d’induit, il dépend donc de la charge.

Alors, si le circuit magnétique n’est pas saturé : Φ = k.I              où k est une constante.

Donc :

E = K.Φ.Ω = K.k.I.Ω             si on pose K’ = K.k, alors :              E = K’.I.Ω

Tem = K.Φ.I = K.k.I.I              si on pose K’ = K.k, alors :              Tem = K’.I²

5.2. Sens de rotation

Il est indépendant du sens du courant (car une inversion du courant implique une inversion du couple et du flux). Pour l’inverser, il faudra donc inverser les connections induit – inducteur.

Remarque : le moteur peut donc fonctionner en alternatif. C’est le moteur universel. Mais attention, s’il est sans danger de faire fonctionner un moteur universel, prévu pour une alimentation alternative, en l’alimentant sous une tension continue convenable, en revanche, il est impossible d’utiliser un moteur à courant continu à excitation série sous une tension alternative : il chaufferait de manière exagérée. En effet les pertes dans le fer sont beaucoup plus importantes en alternatif, pour les réduire, le circuit magnétique des moteurs universels est totalement feuilleté.

5.3. Fonctionnement sous tension constante

5.3.1. Vitesse de rotation

Si le circuit magnétique n’est pas saturé, on écrit : E = K'.I.Ω et E = U - Rt.I.

D’où l’expression de la vitesse de rotation en fonction du courant :

Ω = U R t . I K ' . I

Ω est une fonction homographique du courant.

Démarrage : sous la tension nominale UN, le moteur absorbe au démarrage direct         I dd = U N R t I N

Pour éviter la pointe de courant au démarrage, il faut démarrer sous tension d’alimentation réduite.

Variation de la vitesse avec la charge :

A tension d’alimentation constante, la charge impose I qui augmente avec le couple résistant :

I = T em K '

Si I augmente fortement, il y a saturation du circuit magnétique, le flux magnétique devient donc constant et Ω = U R t . I K . Φ N , fonction affine décroissante du courant.

D’où l’allure de la caractéristique vitesse en fonction de l’intensité du courant (fig 3) :

caractéristique vitesse intensité
fig 3

Conséquence : sous tension proche du nominal, le moteur série ne doit jamais fonctionner à vide car si I → 0, Ω → ∞ et la machine s’emballe.

5.3.2. Moment du couple moteur

Couple de démarrage :

On suppose qu’on limite la pointe de courant au démarrage à :          Îd = 1,5.IN

Alors :

Le démarrage en excitation série est plus vigoureux qu’en excitation indépendante.

Variation du moment du couple utile avec l’intensité du courant :

Si le circuit magnétique n’est pas saturé :          Tem = K’.I²      , fonction parabolique.

A la saturation, le flux Φ est constant :              Tem = K.Φ.I     , fonction affine.

Si on suppose le couple de pertes constant, alors Tu = Tem - Tp a la même allure de Tem (fig 4).

caractéristique mécanique moteur série
fig 4

5.3.3. Caractéristique mécanique

Si le circuit magnétique n’est pas saturé :

         Tem = K’.I²

         Ω = U R t . I K . Φ N

Donc I = U K '. Ω + R t

Ainsi T em = K ' . U ² ( K ' . Ω + R t ) ²          et          T u = K ' . U ² ( K ' . Ω + R t ) ² T p

Si le circuit magnétique est saturé, on revient aux équations du moteur à excitation indépendante.

D'où l'allure de la caractéristique mécanique du moteur série (fig 5) :

caractéristique mécanique du moteur série
Fig 5

Au voisinage du point nominal, le moment du couple utile devient inversement proportionnel à la vitesse de rotation, donc :                 Pu = Tu.Ω = cte

Le moteur série fonctionne alors à puissance utile constante, indépendante de la vitesse de rotation : on dit qu’il est autorégulé en puissance.

5.4. Couple moteur

Si I = cte , alors Ω = cte.

On est ramené au fonctionnement d’un moteur à courant continu fonctionnant à flux constant.
Par conséquent, à charge constante, le moteur série fonctionne comme un moteur à excitation indépendante constante avec deux avantages :

5.5. Bilan de puissance

Il s’effectue comme pour le moteur à excitation indépendante avec les différences suivante :

Bibliographie et sites web associés à cette page :

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