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MOTEUR A COURANT CONTINU A EXCITATION INDEPENDANTE
1) Description et principe de fonctionnement
Un moteur à courant continu à excitation indépendante comporte deux parties :
-L'induit (appelé rotor), c'est la partie tournante,il est alimenté par une tension continue à travers l'ensemble collecteur/balais. Les conducteurs de l'induit sont parcourus par un courant I, dans un champ magnétique créé par l'inducteur.Ces conducteurs sont soumis à des forces électromagnétiques (force de Laplace), un couple moteur apparaît, entraînant l'induit en rotation, le moment du couple est fonction de l'intensité du courant d'induit et de l'intensité du champ magnétique inducteur.
Lors de la rotation, les conducteurs d'induit coupent le flux engendré par l'inducteur et on voit apparaître à leur extrémités une force électromotrice induite, cette f.é.m E dépend de la vitesse de rotation (W)d'induit et du flux inducteur(F, donc du champ magnétique inducteur).on peut ainsi écrire :
E = k.F.W
2) Modèle équivalent d'induit et d'inducteur en régime établi ( permanent)
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Loi d'Ohm appliquée à l'induit nous permet d'ecrire: U = E + R.I , et pour l'inducteur on a : Ue= r.Ie
3) Expression de la f.é.m induite
on a vu que la f.é.m induite s'exprime par la relation E = k.F.W
F: flux utile sous un pôle en (Weber), le flux dépend directement du courant d'excitation Ie, lorsque la machine n'est pas saturée, ce flux est proportionnel au courant d'excitation Ie.
W :vitesse de rotation en rad/s, W= 2.Π.n, avec n la vitesse du rotor en tr/s.
et W= 2.Π.n/60 si n est en trs/min
k: constante.
Si le flux inducteur F reste constant (et machine n'est pas saturée) on peut ecrire : E = K. W, le flux sera intégré dans la nouvelle constante K( K =k.F). on peut aussi écrire : E = K.2.Π.n ( en remplaçant W par 2.Π.n), on remarque que la quantité : K.2.Π reste constante( si le flux d'excitation reste toujours constant), on pose alors K'= K.2.Π E = K'.n
Quand le moteur fonctionne à flux constant : le f.é.m E est directement proportionnelle à la fréquence de rotation n du moteur.
4) Expression de la puissance électromagnétique et des moments des couples
On a par définition la puissance électromagnétique qui s'exprime par les relations: Pem= E.I =Tem.W
Tem =E.I/W= K.I (car le rapport E/W = K), donc on a une relation importante qui montre qu'à flux inducteur constant, le moment de couple électromagnétique est directement proportionnel au courant d'induit I.
On exprime le moment du couple électromagnétique en Newton metre ( N.m) .
on introduit un moment du couple de pertes Tp, pour tenir compte des pertes autres que par effet Joule.
et on peut ecrire : Tp =Tem- Tu , avec Tu : le moment du couple utile .
On peut écrire que Tu = K.I - Tp , si Tp est constant, le moment du couple utile sera directement proportionnel à l'intensité du courant d'induit.
5) Bilan des puissances
Puissance absorbée par l'induit: Pai= U.I (puissance électrique en W)
Puissance aborbée par l'inducteur : Pae= Ue.Ie=r.I2e =U2e/r.
Puissance totale absorbée : Pa= Pai+Pae= U.I +Ue.Ie
Pertes par effet Joule dans l'induit: pji = R.I²
Pertes par effet Joule dans l'inducteur: pje =Ue.Ie (toute la puissance absorbée par l'inducteur est perdue, elle ne sert qu'à créer le flux inducteur).
Puissance électromagnétique: Pem= E.I = Tem.W
Pertes collectives: pc=Tp.W
Puissance utile : Pu=Pa - la somme des pertes dans le moteur =Tu.W
Rendement de l'induit : h= Pu/ (U.I)
Rendement de tout le moteur : h =Pu/Pa avec Pu=Tu.W et Pa= U.I + Ue.Ie
6) Point de fonctionnement
Essai à vide (Tu= 0 Nm et W =W0) : Tp =Tem0=pc/W0= Constante
On a : Tem =Tp+Tu , comme on est à vide on a Tu =0 Tem0= Tp , donc Tp= Tem0= K.I0( I0 courant d'induit à vide)
Essai en charge : Tu = Tr en régime permanent
Au démarrage (à t = 0 s : n = 0, W =0 E =0) et la tension de démarrage appliquée à l'induit : Ud = R.Id. (Id :l'intensité du courant absorbé par l'induit juste au moment du démarrage du moteur),on constate qu'au démarrage l'intensité du courant d'induit n'est limitée que par sa résistance R, il faut réduire la tension de démarrage à la valeur R.Imax,(Imax: valeur donnée par le constructeur)sinon on peut alimenter l'induit sous sa tension nominale tout en rajoutant une résistance additionnelle Radd en série avec l'induit , qu'on court-circuitera dés que le moteur aura démarré.