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Moteur à excitation série

Schéma équivalent et relation

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On suppose la réaction magnétique de l'induit parfaitement compensée. Rt est la résistance totale du moteur en série.
Ces résistances doivent être mesurée séparément à la température de fonctionnement de la machine.
Pour un état de charge donné caractérisée par les valeurs U, I, r, le moteur admet le schéma différent de la figure1.
U - E - REtI = 0
E = U - RtI
E = KØr
T = KØI

Le moteur série présente des analogies avec le moteur à excitation indépendante:

  • Démarrage et freinage, détermination de pertes collectives et du point de fonctionnement.
  • Les différences sont dues à la production du flux Ø par le courant I. Pour simplifier l'étude, nous supposons que le circuit magnétique n'est pas saturé.
  • Le flux augmentant proportionnellement au courant Ø=kI. Les relation précédentes deviennent E=KØr=K'KIr et T=KØI=KK'Ir avec Ø=K'I en posant k=KK'
    E=kIr ; T=kI2 ; Ø=K'I

Sens de rotation

Le même courant étudié circulant dans l'induit et l'inducteur, le sens de la rotation est indépendant de celui du courant. Pour changer de sens de rotation, il faudra inverser les connexions entres les circuits inducteurs de l'inducteur et l'induit.
Ce moteur peut donc avec des ménagements mineurs fonctionner aussi sous tension alternative, on l'appelle moteur universel.

 


Fonctionnement sous tension constante

Vitesse de rotation

Expression de la vitesse

De E=KØr=U-RtI en déduit r= (U-RI)/RI avec k=KK'
Sous tension constante, la vitesse est une fonction hymnographique ou hyperbolique du courant.

Démarrage du moteur

Sous la tension nominale UN le moteur absorberait un courant de démarrage direct Idd=UN/Rt est inférieur ou égale à IN. Comme pour le moteur précédent, on limite le point de courant de démarrage et on supprime le choc mécanique en alimentant le moteur sous tension limite à la mise en vitesse.

Variation de la vitesse avec la charge

Sous tension constante, la charge impose le courant I qui augmente en même temps que le moment du couple résistant.

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La courbe de la figure2 montre que la vitesse augment considérablement lorsque la charge du moment diminue.
Alimenté sous sa tension nominale, un moteur série ne doit jamais fonctionner à vide, car I tant vers zéro et r tant vers l'infini.

Influence de la saturation

Lorsque I augmente fortement le flux Ø devient constant et r=(U-RI)/KI devient une fonction décroissante.

Moment du couple moteur

Coupe de démarrage

Comme pour un moteur à excitation indépendante Îd>IN donc Td>TN. Le démarrage en charge nominale est possible.
En supposant que l'on limite Îd=1,5IN comparant les moments maximaux de deux types de moteur.
Lorsque nous somme en excitation indépendante: Td=KØId=KØ(1,5IN)=1,5(KØIN).
Lorsque nous somme en excitation série: Td=kÎ2d=k(1,5IN)2=2,25kI2N=Td=2,25TN
Dans les mêmes conditions de courant, le moment du couple de démarrage d moteur série est supérieur à celui du couple du moteur à excitation indépendante. On l'utilise en traction électrique et comme démarreur sur les automobiles.

Variation du moment du couple avec l'intensité du courant

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Si le moment Tp du couple de perte reste sensiblement constant, le moment du couple utile Tu=Te-Tp ; Cu=Ce-Cp a la même allure que TU(I)

Influence de la saturation

Lorsque Ø est constant T=KØI devient proportionnel à I, le moment du couple augmente moins rapidement.

Caractéristique mécanique

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On la trace point par point à partir des couples précédentes r(I) et T(I). La caractéristique mécanique Te(r) est aussi Tu(r) ont les mêmes allures si Tp est constante. A cause de la saturation r augmente linéairement si I augmente et T augmente de façon linéaire. Au voisinage du point nominal N, TU devient inversement proportionnel à r. Tu=Pu/r = constante.
Le moteur fonctionne à puissance utile constante indépendante de la vitesse r.

 


Sous tension constante, le moteur série présente des caractéristiques de celle du moteur à excitation indépendante.

 


Fonctionnement à courant constant

Relations

Lorsque l'intensité du courant I est constante, le flux Ø est lui aussi constante. La f.e.m de l'induit E=KØr=k'r avec k'=KØ augmente proportionnellement à la vitesse r=E/k'= (U-RtI)/k' devient une fonction affine croissante de la tension U après le décollage qui se produit pour Ud=RtI.
Le moment du couple T=KØI reste constant lorsque la vitesse r varie.

 


A courant constant le moteur série fonctionne comme un moteur à excitation indépendante. Cependant il présente deux avantages par rapport à ce dernier.

  • Il ne nécessite qu'une seule source d'alimentation.
  • Pour la même intensité le couple de démarrage est plus important.

 


Point de fonctionnement

Il faut résoudre l'équation Tu(r)=Te(r) ou bien repérer le point d'intersection des deux couples et en donner ses coordonnées.


Freinage du moteur

Pendant la phase de freinage, on fait fonctionner le moteur série en génératrice en excitation indépendante ce ramène à la machine précédente

 


Bilan de puissance

Pa=UI ; Pj=RI2
Les Pc sont déterminées par un essai en moteur à une excitation indépendante à vide avec les mêmes valeurs du flux et de vitesse.
Pu = Pa- somme des pertes