Génératrice et moteur à courant continu PARTIE THEORIQUE
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Génératrice <strong>et</strong> <strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong><br />
<strong>PARTIE</strong> <strong>THEORIQUE</strong><br />
1 - Essais des machines électriques<br />
Lorsqu'on construit une machine, on optimise ses paramètres pour obtenir le meilleur rendement pour<br />
des conditions de fonctionnement données : ces valeurs (<strong>courant</strong>, tension, puissance,<br />
vitesse...) sont appelées valeurs nominales (elles sont gravées sur la plaque<br />
signalétique de la machine).<br />
C<strong>et</strong>te machine est faite pour être utilisée : un <strong>moteur</strong> doit entraîner un système en rotation (c'est-àdire<br />
fournir de la puissance mécanique); une génératrice, un alternateur, doivent transformer de<br />
l'énergie mécanique pour alimenter en <strong>courant</strong> une installation (c'est-à-dire fournir de la puissance<br />
électrique). Quand la machine fournit une puissance (dite utile) non nulle, elle est en charge. Si elle ne<br />
fournit aucune puissance, elle est à vide : elle consomme seulement ses propres pertes.<br />
Les essais à vide, ou rotor bloqué pour les <strong>moteur</strong>s <strong>et</strong> en court circuit pour les génératrices, sont des<br />
essais à puissance utile nulle, c'est-à-dire à puissance consommée réduite. Ils perm<strong>et</strong>tent de mesurer<br />
des constantes de la machine pour prévoir comment elle va réagir en charge. Pour une très grosse<br />
machine (>1 MW) ce sont les seuls essais possibles, sur le site de construction, qui perm<strong>et</strong>tent au<br />
constructeur de vérifier qu'elle marchera.<br />
L'essai en charge a souvent pour but de mesurer le rendement d'une machine électrique, soit :<br />
pour un <strong>moteur</strong> : le quotient de la puissance utile (fournie sur l'arbre sous forme mécanique à la<br />
charge) par la puissance électrique consommée (induit <strong>et</strong> inducteur)<br />
pour une génératrice : le quotient de la puissance électrique fournie à la charge par la somme des<br />
puissances mécanique entraînant le rotor <strong>et</strong> électrique alimentant l'inducteur.<br />
2 - Machines à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong> (<strong>moteur</strong> <strong>et</strong> génératrice)<br />
2-1) Loi d'Ohm dans le circuit rotorique<br />
Moteur <strong>et</strong> génératrice sont une seule <strong>et</strong> même machine : par construction, elle est réversible. La loi<br />
d'Ohm s'écrit selon 2 conventions :<br />
Convention récepteur (<strong>moteur</strong>)<br />
Convention générateur (génératrice)<br />
U=E+RI<br />
R<br />
I<br />
I<br />
E<br />
U<br />
E<br />
U<br />
R<br />
U=E-RI<br />
E est la fcem (force conter électro-motrice) du <strong>moteur</strong> ou la fem de la génératrice, R est la résistance<br />
interne.<br />
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Un simple changement de signe perm<strong>et</strong> de passer de l'une à l'autre : selon que le <strong>courant</strong> I est<br />
consommé par la machine ou fourni à l'extérieur, la machine fonctionne en <strong>moteur</strong> ou en génératrice.<br />
Le circuit ci-dessus, auquel on applique la loi d'Ohm, est le circuit de l'enroulement sur le rotor de la<br />
machine. Le rotor est un cylindre en fer feuill<strong>et</strong>é où l'on a usiné des encoches en périphérie selon ses<br />
génératrices. Ce circuit est aussi le circuit de puissance car le couple de la machine est proportionnel<br />
au <strong>courant</strong> I (cf 1-3). La puissance est donc limitée par le <strong>courant</strong> maximum qu'on peut faire passer<br />
du rotor tournant à l'extérieur fixe (pour une génératrice) par un contact glissant charbon/cuivre<br />
(contact balais/collecteur). La chute de tension due à ce double contact est de l'ordre du volt : eB≈1V .<br />
Le rotor est aussi appelé induit car il subit l'induction provenant du stator inducteur.<br />
2-2) Le stator inducteur<br />
Le stator comporte 2 pièces polaires diamétralement opposées qui enveloppent chacune le rotor sur un<br />
angle de ≈π/2 . Au moyen d'aimants permanents (pour les p<strong>et</strong>its <strong>moteur</strong>s) ou d'un circuit inducteur<br />
(alimenté par le <strong>courant</strong> d'excitation i <strong>continu</strong>), les pièces polaires deviennent des pôles N <strong>et</strong> S fixes :<br />
les lignes d'induction ainsi engendrées se referment par la carcasse du stator <strong>et</strong> à travers le rotor. Elles<br />
ont le plus grand mal à traverser l'entrefer, c'est-à-dire les quelques millimètres d’air séparant le stator<br />
fixe du rotor tournant : prenant le chemin le plus court, elles sont orthogonales au surfaces<br />
cylindriques, elles sont donc radiales dans l'entrefer.<br />
L'induction Bs est maximum dans l'axe des pôles <strong>et</strong> pratiquement nulle dans l'espace interpolaire. Le plan où<br />
l'induction s'annule (appelé plan neutre) est le plan de symétrie des 2 pôles N <strong>et</strong> S.<br />
ligne (plan) neutre<br />
ωt Mr<br />
Nord Sud<br />
x<br />
x<br />
x<br />
x<br />
i rotor<br />
x<br />
x<br />
X<br />
+I/2 -I/2<br />
Bs<br />
i<br />
X<br />
b<br />
Nord<br />
Nord<br />
0 s/2 s Sud 3s/2 2s θ<br />
stator<br />
entrefer<br />
2-3) Couple du <strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong><br />
Soit Bs l'induction statorique régnant dans l'entrefer au niveau des pôles. Soit Φ le flux de Bs à<br />
travers l'entrefer sous une pièce polaire. On alimente le circuit rotorique par un <strong>courant</strong> I <strong>continu</strong><br />
traversant n conducteurs logés dans les encoches rotoriques.<br />
Par le truchement du système charbons/collecteur, le <strong>courant</strong> I circule en faisant le tour du rotor : I va<br />
d'avant en arrière sous le pôle N statorique <strong>et</strong> d'arrière en avant sous le pôle S statorique. C<strong>et</strong>te<br />
circulation de I transforme le rotor en dipôle magnétique Mr orthogonal à Bs , Mr restant fixe par<br />
rapport au stator malgré la rotation du rotor. Sur le rotor s'exerce alors le couple Γ = MrxBs qui le fait<br />
tourner. C'est un <strong>moteur</strong>.<br />
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Pour la démonstration on peut considérer les couples des forces de Laplace élémentaires qui<br />
s'exercent sur les conducteurs rotoriques. Sous un pôle N statorique ces forces contribuent à un<br />
couple de même sens que celles s'exerçant sur les conducteurs rotoriques placés sous le pôle S .<br />
Le couple théorique global est donné par<br />
Γ =n Φ I/2 π.<br />
Il faut en r<strong>et</strong>rancher le couple de pertes pour obtenir le couple utile, c'est-à-dire utilisable pour<br />
entraîner une charge en rotation.<br />
Le rotor qui voit Bs changer de direction à chaque demi-tour doit être en tôles feuill<strong>et</strong>ées pour<br />
minimiser les pertes fer par <strong>courant</strong>s de Foucault : sinon il ne pourrait pas tourner.<br />
Critiques du <strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong> :<br />
- couple limité par I maximum<br />
- espace perdu entre les pôles : pas de couple là où l'induction est nulle<br />
- fragilité <strong>et</strong> coût élevé du système charbons/collecteur.<br />
2-4) FEM de la génératrice à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong> (ou fcem du <strong>moteur</strong>)<br />
Le stator est toujours inducteur (pôles N <strong>et</strong> S statoriques, flux Φ de Bs sous les pôles) mais on fait<br />
tourner (par un apport mécanique extérieur) le rotor de la machine : chacun des n conducteurs<br />
rotoriques passe successivement sous un pôle N puis sous un pôle S. Il est donc le siège d'une fem<br />
alternative (loi de Lenz). Par le truchement du système charbons/collecteur (fonctionnant en<br />
redresseur mécanique), ces fem peuvent être redressées <strong>et</strong> mises en série pour donner une fem<br />
résultante <strong>continu</strong>e<br />
E = n N Φ .<br />
N est la vitesse de rotation en tr/sec : c'est la traduction de l'opérateur d/dt de la loi de Lenz.<br />
Les 2 formules du couple <strong>et</strong> de la fem expriment la conservation de la puissance au niveau de<br />
l'entrefer. En eff<strong>et</strong> E I = n N Φ I = n Ω Φ I/2π = Γ Ω.<br />
E I est la puissance électrique <strong>et</strong> Γ Ω la puissance mécanique.<br />
2-5) Commande de vitesse d'un <strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong><br />
La loi d'Ohm pour le circuit rotorique est U=E + RI + eB. Si le <strong>moteur</strong> est à vide, le <strong>courant</strong> I absorbé<br />
est négligeable <strong>et</strong> U≈E= n N Φ.<br />
La vitesse N est proportionnelle à la tension U d'alimentation; c'est le grand intérêt du<br />
<strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong>. En inversant U, on peut même le faire tourner en marche arrière. Si R est<br />
relativement faible, le <strong>moteur</strong> en charge absorbant le <strong>courant</strong> I pour développer le couple n Φ I/2π,<br />
tourne pratiquement à la même vitesse qu'à vide puisque R I <strong>et</strong> eB restent p<strong>et</strong>its devant U≈E.<br />
Ainsi, développant un couple uniquement fonction du <strong>courant</strong> absorbé (<strong>et</strong> de Φ), le <strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong><br />
<strong>continu</strong> est l'idéal pour la traction électrique (pas d'embrayage, pas de boite de vitesses) : tramway,<br />
métro, trolleybus, SNCF... Il lui faut par contre une alimentation en tension <strong>continu</strong>e U variable.<br />
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2-6) Réaction magnétique d'induit<br />
Lorsque la génératrice est en charge, par définition elle débite un <strong>courant</strong> I≠0; lorsque le <strong>moteur</strong> est en<br />
charge, il absorbe un <strong>courant</strong> I≠0. Ce <strong>courant</strong> I qui traverse l'enroulement rotorique crée un champ<br />
magnétique moyen Br (parallèle à Mr <strong>et</strong> orthogonal à Bs). Dans l'entrefer règne une induction<br />
résultante B = Br + Bs qui dis symétrise l'induction B(θ) par rapport à l'axe des pôles. Cela a 2<br />
conséquences :<br />
la ligne neutre (où B(θ)=0) n'est plus le plan de symétrie mécanique des 2 pôles), elle tourne d'un<br />
certain angle puisque B total n'est plus parallèle à l'axe des pôles : il faut faire tourner les charbons<br />
pour r<strong>et</strong>rouver toute la fem.<br />
si le fer est proche de la saturation, des parties des pièces polaires, soumises à l'induction B la plus<br />
intense, peuvent saturer. Le flux Φ par pôle, proportionnel à la valeur moyenne de B sous un pôle,<br />
s'en trouvera affaibli. Ainsi la fem <strong>et</strong> le couple s'en trouvent diminués.<br />
N<br />
n<br />
n<br />
• + S<br />
N • + S<br />
s<br />
s<br />
Réaction magnétique de l'induit (<strong>moteur</strong>, génératrice)<br />
2-7) Le <strong>moteur</strong> universel<br />
Prenons un <strong>moteur</strong> <strong>continu</strong> série (par exemple le démarreur d'une voiture) : c'est le même <strong>courant</strong> I<br />
qui alimente le rotor <strong>et</strong> le circuit statorique créant l'induction Bs donc Φ . Le couple instantané est<br />
donc n Φ(I) I /2π.<br />
Lorsque I est alternatif, Φ(I) <strong>et</strong> I changent de signe en même temps <strong>et</strong> la valeur moyenne de Γ sur une<br />
période est non nulle. Le <strong>moteur</strong> série peut donc fonctionner en alternatif. Même si son stator est<br />
constitué de tôles feuill<strong>et</strong>ées, il a beaucoup de pertes qui lui donnent un assez mauvais rendement.<br />
C'est le <strong>moteur</strong> typique du p<strong>et</strong>it électro-ménager, des perceuses, ponceuses...<strong>et</strong>c.<br />
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<strong>PARTIE</strong> PRATIQUE : Mécano Leybold<br />
C<strong>et</strong>te séance est destinée à vous familiariser avec le fonctionnement d'une dynamo, d'un alternateur<br />
ou d'un <strong>moteur</strong> électrique. Le but des ces séances sur les machines électriques (<strong>courant</strong> <strong>continu</strong> <strong>et</strong><br />
alternatif) est d'apprendre quelques rudiments d'électrotechnique. Il n'est donc pas obligatoire de faire<br />
toutes les manipulations proposées dans le T.P. mais bien plus important d'aller à son rythme <strong>et</strong> de<br />
bien assimiler les notions abordées. L'objectif est de répondre à quelques interrogations quotidiennes<br />
:<br />
Comment marche un alternateur de voiture, une dynamo de vélo, un <strong>moteur</strong> électrique, un robot<br />
ménager?<br />
Ces séances sont en particulier l'occasion de revoir les notions de force électromotrice induite (fem),<br />
de <strong>courant</strong> induit...<br />
Ce TP est presque complètement descriptif <strong>et</strong> son compte-rendu sera intéressant s'il comporte assez<br />
de schémas ou de graphes illustrant les observations. On se reportera pour le montage du mécano à la<br />
documentation Leybold.<br />
Il est nécessaire, au terme du TP, de r<strong>et</strong>enir au minimum :<br />
la signification des notions de stator, rotor, balais, fem, <strong>courant</strong> induit, collecteur<br />
le fonctionnement d'un <strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong>, d'un <strong>moteur</strong> universel<br />
ce qu'est une génératrice, une dynamo.<br />
1 - Génératrice à vide (dynamo, p 20 doc. Leybold)<br />
Le stator inducteur est constitué de 2 aimants permanents "discoïdes" (les pièces polaires sont centrées<br />
à l'aide du disque d'aluminium, vérifier que le champ est maximum), l'induit est constitué par le rotor<br />
bipolaire. Ce rotor est entraîné par un <strong>moteur</strong> universel (§5) alimenté en tension alternative variable au<br />
moyen d'un autotransformateur branché sur le réseau. La tension variable perm<strong>et</strong> d'ajuster la vitesse<br />
de rotation N(tr/mn ou tr/s).<br />
Régler la vitesse de rotation du rotor (N) à 1000tr/mn avec le stroboscope. Observer à l'oscillo la<br />
tension entre les balais (ou charbons) connectés sur les bagues (les 2 bagues connectées sont les plus<br />
éloignées de l'enroulement, la plus proche est non connectée). Déterminer la vitesse de rotation N.<br />
Dessiner la courbe observée, donner l'origine <strong>et</strong> expliquer à l'aide de schémas l'allure de la fem (force<br />
électro-motrice) ainsi produite. La machine, sur les bagues, est une une génératrice synchrone qui<br />
sera étudié en détail dans le TP sur l'alternateur.<br />
Connecter les charbons au collecteur. Observer la tension entre lames du collecteur selon la position<br />
des balais par rapport au champ statorique. Pour 3 positions des balais (0°, 45° <strong>et</strong> 90° par rapport à la<br />
direction du champ statorique Bs), dessiner la figure observée à l'oscillo en précisant les instants de<br />
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commutations. Pour quelle position des balais la tension moyenne, lue sur le voltmètre <strong>continu</strong>, est<br />
elle maximum ? Pourquoi ?<br />
On constate ainsi le rôle essentiel de redresseur mécanique joué par le système balais-collecteur dans<br />
une génératrice à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong> : la tension délivrée est redressée (mais loin d'être <strong>continu</strong>e).<br />
Monter les balais sur les lames du collecteur, les orienter de façon à avoir une tension <strong>continu</strong>e<br />
maximum. Relever la fem E <strong>continu</strong>e en fonction de la vitesse de rotation N(≤1000 tr/mn, mesurée à<br />
l'oscillo) <strong>et</strong> tracer E(N). La loi de Lenz est elle vérifiée?<br />
Pour une machine à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong>e la loi de Lenz s'écrit : E=n N Φ .<br />
Calculer Φ pour N=1000trs/mn (unités, précision?) en prenant :<br />
E : tension maximum observée à l'oscillo<br />
n : nombre de conducteurs du rotor (n=80x12 soit 12 enroulements de 80 spires chacuns)<br />
N : vitesse de rotation en tr/s<br />
Observer la fem pour le rotor multipolaire 12 lames (balais sur les bagues puis sur le collecteur) : quel<br />
est l'intérêt de ce rotor?<br />
2 - Génératrice en charge (c'est à dire qui débite)<br />
Rotor bipolaire, ajuster N à 1000tr/mn, orienter les balais pour avoir la tension <strong>continu</strong>e maximum à<br />
vide E, puis faire débiter directement la génératrice sur un ampèremètre (cal. 1A) en série avec une<br />
résistance de 1 ohm (boite AOIP, I
soit par les 2 lames du collecteur : le dipôle magnétique (pôle nord <strong>et</strong> pôle sud) reste en moyenne<br />
orienté dans la même direction (laquelle?) par rapport à la ligne des balais, c'est-à-dire par rapport à<br />
un support fixe. Il balaie cependant tout un demi plan.<br />
C<strong>et</strong>te propriété (dipôle magnétique Mr gardant en moyenne la même direction) est utilisée dans le<br />
<strong>moteur</strong> à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong> : le dipôle rotorique baignant dans un champ magnétique Bs créé par le<br />
stator (enroulement ou aimants permanents), est donc soumis à un couple MrxBs qui entraîne le<br />
rotor.<br />
Refaire la même expérience avec le rotor multipolaire. Quelle différence de comportement constatezvous?<br />
Quel est l'angle balayé c<strong>et</strong>te fois-ci par le dipôle magnétique? Quel en est l'intérêt?<br />
4 - Moteur à <strong>courant</strong> <strong>continu</strong><br />
Le stator inducteur est constitué de 2 aimants permanents "discoïdes" (les pièces polaires sont centrées<br />
à l'aide du disque d'aluminium, vérifier que le champ est maximum), l'induit est constitué par le rotor<br />
bipolaire. Le collecteur de l'induit du rotor bipolaire est alimenté par un <strong>courant</strong> <strong>continu</strong> I=1A.<br />
On constate ainsi la réversibilité génératrice ↔ <strong>moteur</strong> puisque par construction, c'est la même<br />
machine : la génératrice débite du <strong>courant</strong> I <strong>et</strong> le <strong>moteur</strong> en consomme; le couple nIΦ/2π change de<br />
signe avec I : il s'exerce dans le sens du mouvement pour le <strong>moteur</strong> <strong>et</strong> freine le mouvement de la<br />
génératrice.<br />
Rotor immobile : noter le <strong>courant</strong> consommé I par le <strong>moteur</strong>. Lâcher le rotor : il démarre, noter le<br />
nouveau <strong>courant</strong> consommé. D'où vient la différence de <strong>courant</strong>? (Noter qu'à l'arrêt U=rI+eB <strong>et</strong><br />
qu'en rotation U=E+rI+eB).<br />
Tourner les balais pour trouver le maximum du <strong>courant</strong> consommé ; les balais sont alors parallèles au<br />
nouveau champ résultant. Noter le sens de c<strong>et</strong>te rotation par rapport au mouvement du rotor.<br />
Expliquer avec un schéma la réaction magnétique d'induit.<br />
Relever avec le stroboscope la vitesse du <strong>moteur</strong> N(≤1000tr/mn, vérifier ces valeurs à l'oscillo) en<br />
fonction de la tension d'alimentation <strong>continu</strong>e U <strong>et</strong> tracer N(U). La courbe passe-t-elle par l'origine?<br />
En déduire la chute de tension sur les balais eB.<br />
Quel est l'intérêt de changer le signe de la tension U d'alimentation? A partir de la pente de N(U),<br />
calculer nΦ <strong>et</strong> comparer à la valeur trouvée pour la génératrice.<br />
5 - Moteur universel<br />
Construire un tel <strong>moteur</strong> (§31 p 39 doc Leybold)<br />
le faire tourner par alimentation en <strong>courant</strong> <strong>continu</strong> (démarreur de voiture)<br />
le faire tourner par alimentation en <strong>courant</strong> alternatif (électroménager, ...) Attention : rester à moins<br />
de 10% de la tension maximale de l'autotransformateur<br />
Pourquoi ce <strong>moteur</strong> tourne-t-il? Se rappeler que le couple s'écrit n I Φ/2π.<br />
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