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Machines Electriques 26 Chapitre 4 : Machines Electriques 1. Objectifs - Posséd

Machines Electriques 26 Chapitre 4 : Machines Electriques 1. Objectifs - Posséder des connaissances générales sur les convertisseurs électromécaniques (machines tournantes). - Connaître les propriétés élémentaires des trois types de moteurs (continu, alternatif et pas à pas). - Savoir quelle grandeur électrique (U, I ou f) agit sur quelle grandeur mécanique (T ou Ω). - Etudier le raccordement, démarrage et inversion du sens de rotation d’une machine électrique, ainsi le couplage d'une machine à sa charge (point de fonctionnement). 2. Introduction Un convertisseur électromagnétique ou "machine tournante" effectue une transformation entre l'énergie électrique et l'énergie mécanique. Deux régimes de fonctionnement peuvent alors exister : Une seule et même machine : conversion dans les deux sens Fonctionnement "moteur" L'énergie électrique est transformée en énergie mécanique (schéma ci-dessous): On peut définir le rendement Fonctionnement "génératrice" L'énergie mécanique est transformée en énergie électrique (schéma suivant): On peut définir le rendement Machines Electriques 27 Les machines électriques tournantes sont réversibles, la même machine peut fonctionner en moteur ou en génératrice (exemples ci-dessous avec trois familles de moteurs). - La machine à courant continu: Une action mécanique sur le rotor produit une tension continue au stator, c'est la génératrice à courant continu (dynamo). - La machine à courant alternatif:  Le moteur synchrone utilisé en génératrice va produire une tension de fréquence directement proportionnelle à la vitesse de rotation c'est la génératrice synchrone (alternateurs des centrales électriques).  Le moteur asynchrone utilisé en génératrice va produire une tension de fréquence légèrement inférieure au cas de la génératrice synchrone c'est la génératrice asynchrone (centrales éoliennes).  Le moteur pas à pas: Une action mécanique sur un moteur pas à pas va produire une tension alternative à chaque enroulement du stator. Le moteur pas à pas est lui aussi réversible mais n'est, en principe, pas utilisé en génératrice. 3. Constitution des machines électriques tournantes Le stator Le stator est la partie fixe de la machine. Dans le cas d'un moteur, le stator est alimenté en électricité et produit un champ magnétique inducteur. Dans le cas d'une génératrice, le stator produit une tension induite par le champ magnétique variable produit par le rotor en rotation. Le rotor Le rotor est la partie tournante de la machine, les courants rotoriques produisent un champ magnétique (champ induit) qui réagit mécaniquement avec le champ inducteur (stator) et produit un couple de rotation. 4. Machine à courant continu 4.1 Généralités La machine à courant continu est réversible : elle peut fonctionner en moteur ou en génératrice. Pour inverser le sens de rotation d’un moteur à C.C, on change le sens du courant soit dans l’induit, soit dans l’inducteur seulement. La vitesse d’un moteur varie en sens inverse du flux inducteur. - Lorsque la résistance du Rhex augmente, la vitesse croit - Lorsque la résistance du Rhex dimunie , le moteur ralenti Au démarrage, E=0V, d’où Id=U/r très élevée. Emploi d’un rhéostat de démarrage pour limiter le courant Id=U/(Rd+r) : la pointe de courant est la même à vide qu’en charge. Machines Electriques 28 4.2 Principe de fonctionnement Le moteur à courant continu se compose :  de l'inducteur ou du stator,  de l'induit ou du rotor,  du collecteur et des balais. Lorsque le bobinage d'un inducteur de moteur est alimenté par un courant continu, sur le même principe qu'un moteur à aimant permanent (comme la figure ci-dessous), il crée un champ magnétique (flux d'excitation) de direction Nord-Sud. Une spire capable de tourner sur un axe de rotation est placée dans le champ magnétique. De plus, les deux conducteurs formant la spire sont chacun raccordés électriquement à un demi collecteur et alimentés en courant continu via deux balais frotteur. D'après la loi de Laplace (tout conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force), les conducteurs de l'induit placés de part et d'autre de l'axe des balais (ligne neutre) sont soumis à des forces F égales mais de sens opposé en créant un couple moteur : l'induit se met à tourner ! Si le système balais-collecteurs n'était pas présent (simple spire alimentée en courant continu), la spire s'arrêterait de tourner en position verticale sur un axe appelé communément "ligne neutre". Le système balais-collecteurs a pour rôle de faire commuter le sens du courant dans les deux conducteurs au passage de la ligne neutre. Le courant étant inversé, les forces motrices sur les conducteurs le sont aussi permettant ainsi de poursuivre la rotation de la spire. Machines Electriques 29 Dans la pratique, la spire est remplacée par un induit (rotor) de conception très complexe sur lequel sont montés des enroulements (composés d'un grand nombre de spires) raccordés à un collecteur "calé" en bout d'arbre. Dans cette configuration, l'induit peut être considéré comme un seul et même enroulement semblable à une spire unique. 4.3 Caractéristiques Les avantages et inconvénients du moteur à courant continu sont repris ci-dessous :  accompagné d'un variateur de vitesse électronique, il possède une large plage de variation (1 à 100 % de la plage),  régulation précise du couple,  son indépendance par rapport à la fréquence du réseau fait de lui un moteur à large champ d'application,  peu robuste par rapport à la machine asynchrone,  investissement important et maintenance coûteuse (entretien du collecteur et des balais, 4.4 Machine réversible Dans le régime de fonctionnement des ascenseurs à traction, le treuil à courant continu peut :  Tantôt fonctionner en moteur lorsque le système cabine et contre-poids s'oppose au mouvement de rotation (charge dite "résistante"); le moteur prend de l'énergie au réseau.  Tantôt travailler en générateur lorsque le même système tend à favoriser la rotation (charge dite "entrainante"); le générateur renvoie de l'énergie au réseau. 4.5 Type de moteur à courant continu Suivant l'application, les bobinages du l'inducteur et de l'induit peuvent être connectés de manière différente. On retrouve en général : Machines Electriques 30 Des moteurs à excitation indépendante. Des moteurs à excitation parallèle. Des moteurs à excitation série. Des moteurs à excitation composée. La plupart des machines d'ascenseur sont configurées en excitation parallèle ou indépendante. L'inversion du sens de rotation du moteur s'obtient en inversant soit les connections de l'inducteur soit de l'induit. 4.6 L'inducteur L'inducteur d'un moteur à courant continu est la partie statique du moteur. Il se compose principalement :  de la carcasse,  des paliers,  des flasques de palier,  des portes balais. Fig 4.1 Inducteur. Le cœur même du moteur comprend essentiellement :  Un ensemble de paires de pôles constitué d'un empilement de tôles ferro-magnétiques.  Les enroulements (ou bobinage en cuivre) destinés à créer le champ ou les champs magnétiques suivant le nombre de paires de pôles. Pour des moteurs d'une certaine puissance, le nombre de paires de pôles est multiplié afin de mieux utiliser la matière, de diminuer les dimensions d'encombrement et d'optimaliser la pénétration du flux magnétique dans l'induit. Machines Electriques 31 4.7 L'induit L'induit du moteur à courant continu est composé d'un arbre sur lequel est empilé un ensemble de disques ferro-magnétiques. Des encoches sont axialement pratiquées à la périphérie du cylindre formé par les disques empilés. Dans ces encoches les enroulements (bobines de l'induit) sont "bobinés" selon un schéma très précis et complexe qui nécessite une main d'œuvre particulière (coûts importants). Pour cette raison, on préfère, en général, s'orienter vers des moteurs à courant alternatif plus robuste et simple dans leur conception. Fig 4.2 Induit. Chaque enroulement est composé d'une série de sections, elles même composées de spires; une spire étant une boucle ouverte dont l'aller est placé dans une encoche de l'induit et le retour dans l'encoche diamétralement opposée. Pour que l'enroulement soit parcouru par un courant, ses conducteurs de départ et de retour sont connectés aux lames du collecteur (cylindre calé sur l'arbre et composé en périphérie d'une succession de lames de cuivre espacée par un isolant). Fig 4.3 Composition de l'induit. L'interface entre l'alimentation à courant continu et le collecteur de l'induit est assuré par les balais et les porte-balais. Machines Electriques 32 4.8 Les balais Les balais assurent le passage du courant électrique entre l'alimentation et les bobinages de l'induit sous forme d'un contact par frottement. Les balais sont en graphite et constituent, en quelques sortes, la pièce d'usure. Le graphite en s'usant libère une poussière qui rend le moteur à courant continu sensible à un entretien correct et donc coûteux. Fig 4.4 L'ensemble balais, porte-balais et collecteur. Le point de contact entre les balais et le collecteur constitue le point faible du moteur à courant continu. En effet, c'est à cet endroit, qu'outre le problème d'usure du graphite, la commutation (inversion du sens du courant dans l'enroulement) s'opère en créant des micros- arcs (étincelles) entre les lamelles du collecteur; un des grands risques de dégradation des collecteurs étant leur mise en court-circuit par usure. 4.9 Relation Vitesse et force contre-électromotrice à flux constant Lorsque l'induit est alimenté sous une tension continue ou redressée U, il se produit une force contre-électromotrice E. On a : E = U - R uploads/Industriel/ cours-electricite-industrielle-4et5.pdf