Machine à courant continu/Fonctionnement d'une MCC

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Rappels de mécaniques :

Quelles que soient les machines étudiées, nous pouvons toutes les assimiler à des convertisseurs d'énergie :

• convertisseur électrique / mécanique : moteur
• convertisseur mécanique / électrique : génératrice

Elles fonctionnent toutes sur le même principe : l'énergie électromagnétique créée par champ magnétique tournant (aimant fictif ou non tournant) se transforme en énergie mécanique.

Nous nous limiterons dans ce chapitre aux machines à excitation indépendante (aimant permanent ou stator bobiné parcouru par une intensité constante)

Principe de fonctionnement

• Fonctionnement moteur : Tout conducteur mobile parcouru par un courant d'intensité I dans une région de l'espace ou règne un champ magnétique $\scriptstyle {\vec {B}}$ est soumis aux forces de Laplace.
• Fonctionnement générateur : Tout conducteur se déplaçant dans une région de l'espace où règne un champ magnétique $\scriptstyle {\vec {B}}$ est alors soumis à une variation de flux entraînant une f.é.m. (force électromotrice) induite à ses bornes. Cette f.é.m. s'oppose à la cause qui lui a donnée naissance (c'est-à-dire la variation de flux). C’est la loi de Lenz.
• Les MCC sont donc des machines réversibles.

Plaque signalétique

Type MCC	XXXXXXXX	Moteur à courant continu et référence
kW 0,3		Puissance utile
$min^{-1}$	(rpm ou tr/min)	Vitesse nominale
u 230	A 0,17	Inducteur stator (circuit excitation)
U 230	A 3	induit (rotor)
IP 23		Indice de protection
CI F		Classe d'isolation thermique
Serv S1		Service
kg 9		Masse

Relations générales de la MCC

Symbole et schéma

Symbole du machine à courant continu

On schématise le bobinage de l'induit par un cercle sur lequel appuient deux rectangles noirs représentant les balais. On schématise l'inducteur par une bobine parcourue par le courant inducteur ou courant d'excitation $i$ ou $I_{e}x$.

Relations

Force électromotrice :

$E=K.\Phi .\Omega$

• $E$ : la force électromotrice, en volt (${\text{V}}$)
• $K$ : la constante de construction (${\text{V}}.{\text{s}}.{\text{rad}}^{-1}.{\text{Wb}}^{-1}$)
• $\Phi$ : le flux magnétique sur chaque pôle, en weber (${\text{Wb}}$)
• $\Omega$ : la fréquence de rotation, en radians par seconde (${\text{rad}}.{\text{s}}^{-1}$)

Si $\Phi$ est constante alors :

$E=K'.\Omega$

Moment du couple électromagnétique :

$T_{em}={\frac {E.I}{\Omega }}=K.\Phi .I$

• $T_{em}$ : le couple électromagnétique, en newton-mètre (${\text{N}}.{\text{m}}$)
• $K$ : la constante de construction (${\text{V}}.{\text{s}}.{\text{rad}}^{-1}.{\text{Wb}}^{-1}$)
• $\Phi$ : le flux magnétique sur chaque pôle, en weber (${\text{Wb}}$)
• $\Omega$ : la fréquence de rotation, en radians par seconde (${\text{rad}}.{\text{s}}^{-1}$)

Si $\Phi$ est constante alors :

$T_{em}={\frac {E.I}{\Omega }}=K'.I$

Puissance électromagnétique, source du couple électromagnétique (interaction stator-rotor) :

$P_{em}=E.I=T_{em}.\Omega$

Remarques :

• Comme dans toutes les machines électromagnétique, le couple est proportionnel au flux crée par l'inducteur et au courant dans l'induit.
• Si $I<0$ et $T<0$, la puissance fournie est alors négative, c’est qu’il reçoit de la puissance mécanique donc fonctionne en génératrice.

Étude des tensions en régime permanent

À vide, il existe une tension (f.é.m. induite). On retrouve la courbe d'aimantation d'un circuit magnétique si on relève la caractéristique interne ou à vide. Même allure que celle de la machine synchrone.

On désigne par :

• U : tension aux bornes de l'induit
• R : résistance de l'induit $\scriptstyle e_{B}$ : chute de tension due aux contacts balais-collecteur.

La source fournit U.I qui est transformée en E.I puissance électromagnétique et pertes joules.

$U.I=E.I+R.I^{2}+e_{B}.I$

$U=E+R.I+e_{B}$

Or souvent on néglige les pertes dues aux contacts, d'où :

$U=E+R.I$

Ce modèle à l'avantage d’être linéaire.

Vitesse

On a vu que : $E=K.\Phi .\Omega$

Donc U est à peu près proportionnelle à la vitesse.

$\Omega ={\frac {U-R.I}{K.\Phi }}$

Pertes du moteur

Faites ces exercices : Fonctionnement d'une MCC.

Les diverses pertes de la MCC sont :

• pertes magnétiques : surtout localisées dans l'induit car le fer de l'inducteur n'étant pas soumis à une variation de flux n’est pas le siège de courants de Foucault. On les note $\scriptstyle p_{f}$.
• pertes par excitation (sauf s'il est à aimants permanents) notées $\scriptstyle p_{ex}$. C’est la puissance fournie au circuit d'excitation. Elles correspondent aux pertes joules dans l'inducteur.
• pertes joules dans l'induit. $\scriptstyle p_{jI}=R.I^{2}+e_{B}.I$
• pertes mécaniques dues aux frottements et à la ventillation