Moteur à excitation indépendante

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Schéma et relations

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On suppose la réaction magnétique d'induit parfaitement compensée. Pour l'inducteur, on peut écrire en régime permanant u= (Rh+r)i

A vitesse et flux constant, l'induit est un dipôle actif linéaire.
-E-RI+U=0 ↔ U=E+RI or E=KØr→ U=KØr+RI
Les résistances peuvent varier en fonction de la température.

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Vitesse de rotation

Sens de rotation

Le sens des forces électromagnétiques qui produisent la rotation dépend:

  • Du champ magnétique donc du courant d'excitation.
  • Du courant du conducteur de l'induit.

On pourra changer le sens de rotation en inversant l'un ou l'autre des courants I ou i. La rotation dans les deux sens est possible.

Expression de la vitesse

On a déduit à partir de
E = KØr = U-RI
r = (U-RI)/KØ = 2IIn (n en tr/s)
Si n est en tr/min
r = (U-RI)/KØ
Les quatre grandeurs r, u, I et Ø qui déterminent le fonctionnement sont liées par la relation ci-dessus.

Démarrage du moteur

Intensité du courant

Pour être entraîné par le moteur à la vitesse r, la charge nécessite un couple électromagnétique de moment T=KØI donc impose l'intensité du courant I en fonctionnement.
A l'arrêt r=0, la f.e.m E étant nulle le rotor se comporte comme une résistance R. Lors de son branchement sur la source de tension, l'induit appellerait un courant d'intensité Idd=UN/R>>IN Idd=I de début de démarrage.
Dès que le rotor commence à tourner r différent de zéro et E différent de zéro et l'intensité du courant devient Id= (UN-E)/R diminue et tend vers I. La phase de démarrage est terminée.
La durée nécessaire à la mise en vitesse augmente avec le moment du couple résistant présenté par la charge ainsi qu'avec l'inertie caractérisant les parties mobiles.

Démarrage en charge

Pour que le moteur puisse entraîner la charge, il faut que le moment de son couple Td>Trd opposé par la charge donc que le courant dit de démarrage soit supérieur à Idd. Alimenté sous la tension nominale l'induit du moteur absorbe pendant la phase de démarrage un courant nettement supérieur à la valeur nominale. Cette surintensité provoque la détérioration du rotor par l’échauffement excessif dû à l'effet joule et aux chocs mécaniques dus à une mise en vitesse brutale. Le démarrage direct sous la tension nominale n'est pas recommandé en charge. On limite la pointe maximale du courant Id max par exemple Îd=1,5IN. Le démarrage en charge ne pose pas de problème si le moteur est adapté à la charge, c'est-à-dire si celle-ci demande un courant Id inférieur ou égale à Îd.

Limitation du courant de démarrage

Première solution

L'induit étant alimenté sous la tension nominale, on limite l'intensité de courant qu'il absorbe à l'aide d'un rhéostat branché en série, dont on diminue la résistance au fur et à mesure de la mise en vitesse. Ce procédé n'est pas économique par effet joule. On ne l'utilise plus que dans le cas des moteurs de faible puissance donc la durée de démarrage est courte.

Seconde solution

Pendant la phase de démarrage, on alimente l'induit sous une tension induite U<UN. Si l'on sait régler les variations de ces tensions, la mise à vitesse sera progressive et la surintensité réduite. Cette solution moderne est plus intéressante que la précédente.

Fonctionnement à vide

Réglage de la vitesse

A vide le moteur ne fournit pas de puissance utile. La puissance électrique absorbée par l'induit est dissipée sous forme de perte. Le courant Iv étant inférieur au courant nominal IN on néglige la chute de tension par rapport à U.
Si R=0 alors Ev = U-RIv ; Ev=U=KØr
r = Ev/KØ = U/KØ
On pourra régler la vitesse à vide soit en agissant sur la tension, soit sur le Ev. On a alors Pc=Pv-RI2v. Avec Iv: courant à vide et Pc: Puissance collective.

Rôle de fonctionnement sous tension constante

On a: rv = K1/Ø(i)
La vitesse de rotation à vide est inversement proportionnelle au flux. On appelle caractéristique d'emballement, la courbe des variations de la vitesse de rotation rv en fonction du courant d'excitation i d'où on a rv=f(i)

  • Si i tend vers zéro, rv augmente fortement
  • Si i augmente rv décroît mais lorsque le circuit magnétique se sature Ø et ev=cste

D'où la caractéristique

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Fonctionnement à flux constant

La vitesse de rotation est proportionnelle à la tension U appliquée. RIv étant faible pratiquement faible, le moteur commence à tourner dès la mise sous tension. Si l'on dispose d'une source de tension donc les variations sont linéaires on règlera progressivement la vitesse de 0 à rv.

Il ne faut jamais supprimer le courant d'excitation lorsque l'induit est alimenté (sous tension). Car le moteur va s'emballer et risque la destruction.
La zone de fonctionnement utile se trouve au niveau du coude de saturation A. Sous tension constante rv=cste, U=cste le réglage n'est plus possible. Si l'on veut diminuer la vitesse de rotation à vide, il faut donc alimenter l'induit du moteur sous tension variable.

Fonctionnement à charge

Expression de la vitesse

Au niveau du coude de saturation A le moteur fonctionne à flux constant. La vitesse dépend de la tension U imposée par la source de tension et l'intensité I imposée par le moment de couple résistant.
r = f(U,I)

Variation de la vitesse

  • L'induit est alimenté sans tension constante.
    r = UN/KØ - RI/KØ avec rv=Uv/KØ
    r = rv - RI/KØ C'est le fonctionnement affine décroissante de I
    Lorsque le courant I augmente avec la charge, r diminue.

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  • L'induit absorbe un courant constant d'intensité IN, le moment de couple résistant est donc constant.

 


L'alimentation de l'induit sous tension réglable présente deux avantages. Il est mise en vitesse progressivement avec suppression de la surintensité: Vitesse largement variable.