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Moteur à excitation indépendante

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.


Moment du couple utile

Tem=KØI=K’I avec K’=KØ

Pe-Pu=Pc
Le moment du couple Tem=KØI s’écrit puisse que le couple est constant Tem=K’I, la relation entre I et T ne dépend pas de U
A cause des pertes magnétiques et mécaniques dont on appelle la somme Pc, la puissance utile Pu (sous forme mécanique) sous l’arbre du moteur est inférieur à la puissance magnétique Pe.
Pc = Pmag + Pméca
Tu=Pu/r < (pe/Pr=Te)
Te-Tu=TP=(Pe-Pu)/r=Pc/r=Kr/r=constante.

Le moment de couple de perte est constant.


Variation du couple utile avec le courant I

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Caractéristique mécanique

La caractéristique donne les variations du moment de celle de la vitesse de rotation r. Cette courbe permet de choisir le moteur qui convient pour entraîner une charge donnée.

Tracé de la caractéristique

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Pour un moteur à excitation indépendante, la courbe se trace à tension de l’alimentation et à flux constant. L’induit est alimenté en tension UN connaissant les variables de la vitesse r et celle Tu en fonction de l’intensité I. On trace point par point les variations TU en fonction de r. Avec Ø et U constant, r=rv-RI/KØ et Tu=KØI-TP.Tu est donc une fonction affine décroissante de r.


  • orsque l’induit est alimenté sous tension constante, l’intensité du courant I et le moment du couple augmente et le couple utile Tu augmente avec la charge entraînée et la vitesse diminue.
  • Lorsque la charge présente un couple de moment constant, le courant I reste constant si la vitesse varie.
  • Le choix du mode de fonctionnement dépendra de la charge à entraîner.

Point de fonctionnement

La charge impose un couple résistant de moment Tr sur k’arbre qui tourne à la vitesse r. Le moteur doit fournir un couple utile TU=Tr en équilibre.

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Le point de fonctionnement du groupe moteur charge entraîné se situe à l’intersection des caractéristiques mécaniques TU(r) et TR(r) des deux machines.
On utilise deux méthodes pour déterminer les coordonnées du point de fonctionnement

  • Si l’on connaît les relations mathématiques TU(r) et TR(r), on résout l’équation Tu(r)=TR(r). S’il existe plusieurs solutions, on considère celle qui a un sens physique.
  • Si l’on dispose des deux caractéristiques mécaniques du couple, on les trace sur la même feuille et on lit les coordonnées de leur point d’intersection.

Bilan énergétique

Expression du rendement

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Le moteur absorbe de la puissance électrique Pa et fourni de la puissance mécanique PU. Le rendement présente un maximum au voisinage du point nominal. Pour un état de fonctionnement donné Ø, r, U, I sont déterminés.

Détermination direct du rendement

Dans les conditions de fonctionnement du moteur, même valeur de U de I et r donc de Ø car r=(U-RI)/KØ, on mesure les puissances électriques tel mécaniques en jeux. Seule la mesure de la puissance mécanique cause des problèmes.
Avec la dynamo balance sur l’arbre de rotation du groupe on a:
Tr (génératrice) = TU (moteur)
TU = Tr = mgd

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Détermination indirecte du rendement: méthode des pertes séparées

Pa = Ui + UI
Perte joule inducteur: Pji = ri2 = ui
Perte joule induite: PjI = RI
Puissance utile: PU = Pa – Somme de pertes ; PU=Pa-UI2-ri2-Pc=Pa-RI2-ui2Pc
Pertes constantes: Pc = UvIv – RI2v ; Si RI2v=0 alors Pc=UvIv ; Øv=Ø et rv=r

28 novembre 2021
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