Principe de fonctionnement et grandeurs

Cette étude vous présente:

- Le principe de la réversibilité d'une machine à courant continu;

- Les grandeurs relatives au fonctionnement des moteurs à courant continu;

- Les avantages et des inconvénients que comporte l' utilisation d'une machine à courant continu.

Le principe de la réversibilité d'une machine électrique a été établi par Lenz en 1833.

Une génératrice à courant continu est une machine qui fournit un courant continu au réseau de tension U auquel elle est connectée.

Ce courant résulte de l'équation suivante :

.

Où :

E : force électromotrice ou f.é.m ;
U : tension aux bornes de la génératrice (réseau) ;
R : résistance totale de l'induit.

La f.é.m. E dépend de la vitesse de rotation de l'induit (n) et du flux magnétique par pôle (ø).

Si l'on réduit l'un ou l'autre, E va également diminuer jusqu'à devenir inférieure à la tension du réseau U. Le courant d'induit I changera de signe, c'est-à-dire qu'il circulera en sens inverse par rapport à son sens initial.

Le couple électromagnétique de la machine étant proportionnel au courant d'induit, ce couple changera également de signe, pour ainsi devenir un couple moteur.

La f.é.m. E est appelé ici force contre-électromotrice (ou f.c.é.m.) parce qu'elle agit contre la tension de la source et est notée E'.

La machine, qui fonctionnait en génératrice et transformait de l'énergie mécanique reçue en énergie électrique, fonctionne maintenant en moteur et transforme l'énergie électrique reçue du réseau en énergie mécanique disponible sur l'arbre.

Ainsi, en changeant les signes de U et de E, et en donnant au courant I en régime moteur le signe positif, la relation précédente devient la suivante :

.

Ce principe de réversibilité est tout aussi valable pour les machines à courant continu que pour les machines à courant alternatif.

Action motrice de l'induction électromagnétique :

Le principe de réversibilité d'une machine électrique se constate également au niveau du principe de fonctionnement pour les génératrices.

Pour le fonctionnement en moteur, le principe en est le suivant et découle de la loi de Laplace.

Un conducteur placé dans un champ magnétique et parcouru par un courant est soumis à une force électromagnétique dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main gauche de Fleming.

La figure suivante vous montre le conducteur placé dans un champ magnétique et la force F à laquelle il est soumis.

Le conducteur placé dans un champ magnétique et parcouru par un courant est soumis à une force :

Vous pouvez remarquer que dans le sens gauche droite :

- l'index indique le sens du champ magnétique ;

- le majeur indique le sens du courant dans le conducteur ;

- le pouce indique le sens de la force qui s'exerce sur le conducteur, donc le sens de son déplacement.

Cette règle s'applique à tous les conducteurs de l'induit, et comme nous l'avons vu pour la génératrice, en sens inverse pour les deux conducteurs d'une spire.

Ces deux forces entraîne la spire en rotation et forment ce qu'on appelle un couple.

La figure suivante vous montre le principe de fonctionnement d'un moteur.

La bobine placée dans un champ magnétique et parcouru par un courant est soumis à un couple :

Sur l'arbre d'un moteur agissent les couples suivants :

- couple électromagnétique T_em ;

- couple résistant T_r ;

- couple dynamique T_j.

Le couple électromagnétique T_em, également appelé couple moteur T, est créé grâce à l'interaction du champ principal et du courant d'induit. Il résulte de la relation suivante :

T_em = k₁ x I x ø.

Où :

k₁ : constante dépendant de la construction de la machine.
I : courant d'induit.
ø : flux magnétique.

Quant au couple résistant T_r, il correspond aux forces à exercer pour faire fonctionner la machine entraînée. Ce couple est toujours opposé au couple moteur.

Enfin, le couple dynamique T_j dépend du moment d'inertie de toutes les masses tournantes de l'induit du moteur.

Expression de la vitesse

La f.é.m. E est calculée à l'aide de l'équation suivante :

E = N x n x ø.

Où :

N : nombre de conducteurs de l'induit.
n : vitesse de rotation en s^-1.
ø : flux magnétique.

La force contre-électromotrice E' se calcule de la même façon :

E' = N x n x ø.

De cette relation, on peut déduire l'expression de la vitesse suivante :

n =

Or, comme pour E, on sait que : E' = U - (R x I).

En mettant cette relation dans l'expression de la vitesse, on obtient :

n = .

Cette relation s'avère très importante pour l'étude des caractéristiques mécaniques des moteurs à courant continu.

Pour varier la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu, on fait varier le flux en agissant sur le courant inducteur.

La variation de la vitesse peut s'étendre au-delà de 25 % de la vitesse nominale. En maintenant le flux à une valeur constante, on peut aussi varier la vitesse de rotation en agissant sur la tension d'alimentation.

Cette solution est plus souple et plus rationnelle puisque la vitesse peut varier de zéro à la vitesse nominale en gardant le couple constant.


Il faut retenir que la vitesse est proportionnelle à la tension d'alimentation et inversement proportionnelle au flux.

Comme tous les dispositifs de conversion d'énergie, les moteurs ne sont pas efficaces à 100 %.

En d'autres termes, la puissance électrique fournie au moteur n'est pas entièrement convertie en puissance mécanique. La différence entre l'entrée et la sortie constitue les pertes de la machine dissipées sous forme de chaleur.

En considérant que la puissance électrique absorbée par le moteur est appelée P_a et que la puissance mécanique disponible à l'arbre du moteur ou puissance utile est P_u, le rendement résultant du rapport de ces deux puissances est calculé à l'aide de l'équation suivante :

.

Ou : R =

Ce rapport est toujours inférieur à 1. En le multipliant par 100, on exprime le rendement en pourcentage.

La puissance électrique absorbée par le moteur est calculée à l'aide de l'équation suivante :

P_a = U x I.

Où :

U : tension d'alimentation.
I : courant absorbé par le moteur.

La puissance électrique dépend donc des grandeurs électriques U et I.

Quant à la puissance mécanique ou puissance utile, elle est calculée à l'aide de l'équation suivante :

P_u = 2 pi x n x T.

La puissance mécanique est donc exprimée en fonction des grandeurs mécaniques du couple moteur T et de la vitesse de rotation n (en s^-1). 2 pi n est la vitesse angulaire "omega" en radians par seconde. On obtient alors :

P_u = omega  x T.

L'utilisation d'un moteur à courant continu comporte des avantages certains mais également des inconvénients.

Avantages :

Le moteur à courant continu offre l'avantage de pouvoir être alimenté soit par un réseau, soit par des accumulateurs. D'autre part, il présente des avantages importants tels que les possibilités de variation de vitesse, de régulation et d'asservissement.

Cependant cet avantage tend à s'amenuiser en regard des performances obtenues par l'association de moteurs asynchrones et de variateurs électroniques de plus en plus performants.

Inconvénients :

A puissance égale, le moteur à courant continu a toutefois l'inconvénient d'être le plus cher des engins moteurs. Par ailleurs, le collecteur et les balais nécessitent un entretien périodique, car ils demeurent le point sensible de toute machine à courant continu.

Plaque signalétique :

Une plaque signalétique est généralement placée sur le moteur, à un endroit visible. Cette plaque, qui représente la carte d'identité du moteur, contient d'importantes données relatives aux caractéristiques électriques et mécaniques du moteur.

Il s'agit donc d'une source d'information très utile pour les utilisateurs.

Plaque signalétique :

La figure ci-dessus vous montre une plaque signalétique d'un moteur à courant continu ainsi que la signification des abréviations utilisés.

Vous trouverez :

- en annexe D la définition des indices de protection (IP) ;

- en annexe E la définition des positions de fonctionnement.

En résumé sur le principe de fonctionnement et grandeurs

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

• La machine à courant continu est réversible puisqu'elle peut fonctionner aussi bien en génératrice qu'en moteur. Ce principe a été établi par Lenz en 1833.

• Trois couples agissent sur l'arbre du moteur :

- le couple électromagnétique ;

- le couple résistant ;

- le coupe dynamique.

• Le couple électromagnétique, ou couple moteur, est proportionnel au courant d'induit et au flux magnétique.

• La vitesse de rotation est proportionnelle à la tension d'alimentation et inversement proportionnelle au flux.

• Le rendement résulte du rapport de la puissance mécanique à l'arbre ou puissance absorbée, sur la puissance électrique alimentant le moteur ou puissance utile.

• La différence existant entre ces deux puissances représente les pertes qui sont dissipées sous forme de chaleur.

• Pour faire varier la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu, on peut agir sur le flux magnétique en faisant varier le courant inducteur ou agir sur la tension appliquée au moteur. Dans le premier cas, on fait varier aussi le couple, ce qui n'est pas toujours pratique.

• Le moteur à courant continu est le plus cher des engins moteurs et il nécessite un entretien périodique.