Chap. IV: Machines à Courant Continue

Chap. IV: Machines à Courant Continue
1. Principes physiques mis en jeu
La machine à courant continu (MCC) est une machine réversible. C’est à dire
qu’elle peut :
- fonctionner en moteur et donc recevoir de l’énergie électrique pour la
transformer en énergie mécanique,
- fonctionner en génératrice et donc recevoir de l’énergie mécanique
pour la transformer en énergie électrique.
a- Fonctionnement moteur
cette machine tourne par action d’un champ magnétique constant d’induction
radiale B sur un courant continu Im passant dans des brins de conducteurs
orthogonaux à la direction de l’induction (loi de Laplace).
b. Fonctionnement en génératrice
En fonctionnement génératrice cette machine entraînée en rotation par la partie
mécanique voit apparaître une force électromotrice induite aux extrémités de
chaque brin de conducteur qui coupe le flux créé par le champ magnétique
constant d’induction radiale B (loi de Lenz).
2. Constitution de la Machine
La machine à courant continue comporte deux parties :
- Une partie fixe, appelé Stator, c’est un électroaimant qui joue le rôle de
l'inducteur.
- Une autre partie mobile, appelée Rotor, qui est solidaire de l'arbre moteur : elle
joue le rôle d'induit. (Cf. Figure IV-1).
Figure IV-1 : Coupes transversale et longitudinale d’une MCC
a. Le Stator
Le stator est appelé aussi ‘inducteur’ ou ‘champ’. Que la machine fonctionne en
moteur ou en génératrice, le principe est de créer un champ magnétique constant
d’induction. Deux moyens peuvent être utilisés : des aimants ou une bobine
électrique. Pour canaliser les lignes de champ, un circuit ferromagnétique sera
utilisé. Le champ magnétique sera créé dans la partie fixe de la machine appelé
Stator (Cf. Figure IV-2).
Figure IV-2 : Stator de la MCC
Dans le cas de la MCC à aimant permanent il est impossible d’inverser le sens
du champ magnétique. Au contraire, dans le cas d’une machine à inducteur
bobiné on peut inverser le sens du champ magnétique en inversant le sens du
courant dans la bobine inductrice.
b. Le Rotor
Appelé aussi ‘induit’, il est composé d’un ensemble de bobines identiques
réparties uniformément autour d’un noyau cylindrique et montées sur un arbre
qui tourne entre les pôles de l’inducteur (Cf. Figure IV-3.a). L’induit constitue
donc un ensemble de conducteurs qui coupent le flux magnétique. Les bobines
sont disposées de telle façon que leurs deux côtés coupent respectivement le flux
provenant d’un pole nord et d’un pole sud de l’inducteur.
Figure IV-3.a : Rotor de la MCC
c. Collecteur/Balaies
Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre où sont reliées les extrémités
du bobinage de l’induit. Les balaies (ou charbons) sont situées au stator et
frottent sur le collecteur en rotation. Deux balaies fixes et diamétralement
opposés appuient sur le collecteur. Ainsi, ils assurent le contact électrique entre
l’induit et le circuit extérieur (CF. Figure IV-3.b).
Le dispositif collecteur/balaies permet de faire circuler un courant dans l’induit.
Les bobines et l’induit peuvent être reliés entre elles et au collecteur de plusieurs
manières, une des plus employé est l’enroulement imbriqué.
Figure IV-3.b : Collecteur et Balaie de la MCC
d. Enroulement imbriqué
L’induit de la figure IV-4 possède 8 bobines identiques distribuées
uniformément autour de l’induit, à 45° les unes des autres. Elles sont identifiées
par les chiffres 1 à 8, et logées dans 8 encoches numérotées. En faisant tourner
les 8 bobines à la même vitesse, chaque bobine génère une tension et une
polarité correspondant à sa position. Notons que les bobines (1) et (5) sont
logées dans les mêmes encoches ; par conséquent leurs tensions ont
instantanément la même valeur, mais de polarités contraires. Il en est de même
pour les bobines (2) et (6) ; (3) et (7) ; (4) et (8).
Si l’on considère l’instant particulier où la bobine (1) est à 0°, la tension dans
cette bobine est nulle, et les tensions dans les autres bobines sont celles que
présente la figure IV-5. En relions les bobines entre elles (CF. Figure IV-6), on
crée un circuit fermé ; la tension résultante est égale à la somme des tensions des
8 bobines qui est nulle algébriquement. Donc, aucun courant ne circule dans la
boucle, et les tensions de la figures IV-5 demeurent les mêmes
En connectant les bobines à un collecteur à 8 lames, une tension induite apparait
entre deux lames consécutives. Si on place les balaies x, y à l’endroit indiqué sur
la figure IV-7, la tension Exy recueillie est égale à la somme des tensions entre
les lames soit Exy=+7+10+7=+24.
- Cas de la génératrice Multipolaire
La figure IV-8 montre le diagramme schématique d’une telle machine
possédant 72 encoches sur l’induit, 72 lames sur le collecteur et 72 bobines.
L’enroulement est imbriqué, les bobines A et C traversent momentanément la
zone neutre, tandis que la bobine B coupe le flux au centre des pôles.
3. Fonctionnement en génératrice
a. Tension induite
La valeur de la tension induite aux bornes d’une génératrice est données par:
Z = nombre total de conducteur
Zn 
E0 
n = vitesse de rotation en trs/mn
60
Φ = flux par pôle en Wb
b. Génératrice à excitation séparée
La génératrice est à excitation séparée si le courant d’excitation est fournit par
une source indépendante (Cf. Figure IV-9).
Figure IV-9 : Génératrice à excitation séparée
La source de courant d’excitation est raccordée aux bornes a et b. Lorsque les
deux pôles sont excités et que l’induit est entrainé au moyen d’une turbine ou
d’un moteur quelconque, une tension E0 apparait aux bornes x et y reliées aux
balais (Cf. Figure IV-10)
En fonctionnement à vide, la variation du courant d’excitation ou de la vitesse
de rotation entraîne une variation correspondante de la tension induite. A la
saturation du fer de l’inducteur et de l’induit, le flux reste constant  machine
saturée (Cf. Figure IV-11).
c. Génératrice à excitation shunt
Lorsque les bobines excitatrices sont reliés directement aux bornes du
générateur, de façon que le courant d’excitation soit fourni par l’induit, la
génératrice est dite à excitation shunt (Cf. Figure IV-12).
Figure IV-12 : Génératrice à excitation shunt
Le grand avantage de cette connexion réside dans le fait qu’elle n’exige aucune
source extérieure pour le fonctionnement de la machine.
Dans un générateur shunt on peut régler la tension induite en faisant varier
l’intensité du courant d’excitation au moyen d’une résistance variable intercalée
en série avec les bobines excitatrices qui portent le nom de rhéostat d’excitation
(CF. Figure IV-13).
Supposons que la tension entre x et y soit de 120v, lorsque p est au centre du
rhéostat. En déplaçant le curseur vers m, la résistance entre a et b diminue, ce
qui provoque une augmentation du courant Ix entrainant un accroissement du
flux et donc une augmentation de la tension induite. Par contre si le curseur est
déplacé vers n, la résistance augmente, le courant Ix diminue, le flux diminue et
la tension induite E0 diminue. Si l’on connait la courbe de saturation et la
résistance totale Rt du champ et du rhéostat, on peut déterminer la valeur de la
tension induite. Il suffit de tracer, sur le graphique de la courbe de saturation,
une droite correspondant à la résistance Rt. Le point de coupure correspond à la
tension induite (CF. Figure IV-14).
d. Génératrice en charge
On peut représenter le circuit de l’induit par une résistance R0 en série avec une
tension E0, cette dernière représentant la tension induite dans les conducteurs
tournants. Lorsque la machine fonctionne à vide la tension entre les balaies est
égale à la tension induite E0. Par contre, lorsqu’on relie l’induit à une charge, le
courant de charge I provoque une chute de tension dans la résistance R 0. La
tension obtenue entre les balaies et alors inferieure à E0. A mesure que la charge
augmente, la tension aux bornes de la charge diminue progressivement.
4. Fonctionnement en moteur
a. Force contre électromotrice
La rotation du moteur induit une tension E0 appelée Fcem exprimée de la même
façon qu’une génératrice qui s’oppose à la tension de la source. La tension
résultante agissant sur le circuit est (Es – E0) et le courant I n’est limité que par
la résistance R0.
I
Es  E0
R0
Lorsque le moteur est au repos, la vitesse est nulle, donc la tension E0=0. C'està-dire qu’au démarrage le courant est énorme car la résistance de l’induit est très
basse. En effet le courant de démarrage peut être de 20 à 50 fois plus grand que
le courant de pleine charge di moteur.
A mesure que la vitesse croit, E0 augmente et la valeur de la tension résultante
(Es – E0) diminue. On en conclut que le courant I diminue avec l’augmentation
de la vitesse. La vitesse ‘limite’ du moteur est celle qui produit une Fcem
légèrement inferieure à la tension de la source pour permettre le passage d’un
courant nécessaire à la production du couple.
b. Expression du couple
La puissance mécanique et le couple sont deux des caractéristiques importantes
des moteurs à CC. La puissance électrique fournie à l’induit est : Ps = EsI et
Es=E0+R0I 
Ps=E0I+R0I2
R0I2 représente les pertes Joules dissipées sous forme de chaleur dans l’induit.
Pm=E0I est la puissance mécanique développée par le moteur en Watt.
Pm  E 0 I et Pm 
nT
9,55
 T
ZI
6,28
Avec
T = Couple du moteur [N.m]
Z = nombre de conducteur sur l’induit
 = flux par pôle [Wb]
I = courant dans l’induit [A]
Cette équation indique qu’on peut augmenter le couple d’un moteur en
augmentant, soit le courant I dans l’induit, soit le flux provenant des pôles.
c. Réglage de la vitesse par la tension de l’induit
Si le flux est constant (aimant permanant, courant constant, etc..), la vitesse de
rotation varie en fonction de l variation de la tension de la source. En pratique,
on peut réaliser cette variation en alimentant l’induit du Moteur M avec une
génératrice G de tension variable (CF. Figure IV-16).
On maintient l’excitation IXM de l’inducteur du moteur M constante, alors que
l’on fait varier celle (IXG) de la génératrice. On peut même changer le sens de
rotation du moteur en inversant la polarité de la tension Es produite par la
génératrice (inversion du courant d’excitation).
Une autre façon de faire varier la tension aux bornes de l’induit d’un moteur
pour contrôler sa vitesse, consiste à placer un rhéostat en série avec celui-ci. Le
passage du courant dans le rhéostat crée une chute de tension qui, soustraite de
la tension de source, réduit la tension aux bornes du moteur (Cf. Figure IV-17).
L’inconvénient de la méthode est la puissance dissipée inutilement par effet
joule dans le rhéostat.
d. Réglage de la vitesse par le flux de l’inducteur
Si la tension de la source est maintenue constante, la vitesse de rotation n du
moteur devient inversement proportionnelle au flux. Le schéma de la figure IV18 illustre l’utilisation d’un rhéostat pour commander le flux de l’induit.
On notera que lorsque le flux se rapproche de 0, le moteur tend à atteindre une
vitesse extrêmement élevée, à s’emballer. Le moteur pourra être détruit.
e. Démarrage du moteur
A plein tension, l’appelle de courant est énorme, on risque de faire sauter les
fusible, bruler l’induit, et endommager le collecteur. Il faut donc prendre des
précautions appropriées pour limiter le courant de démarrage. Une solution
consiste à monter en série avec l’induit un rhéostat de démarrage. La résistance
introduite est ensuite progressivement diminuée à mesure que le moteur
accélère, et finalement enlevée du circuit dès que le moteur atteint sa vitesse de
régime permanent (CF. Figure IV-19). L’électroaimant lâche la manette si
l’alimentation de la bobine shunt est coupée accidentellement.
Actuellement on utilise des circuits électroniques pour limiter le courant de
démarrage.
f. Freinage de la MCC
Freinage par inversion  La méthode consiste à inverser brutalement le sens du
courant dans l’induit en inversant les bornes de la source (CF. Figure IV-22).
Freinage dynamique  Consiste à raccorder une résistance extérieure à l’induit
du moteur.
On définit la constante de temps du système de freinage T0 : le temps requis
pour que la vitesse de la MCC tombe à 50%.
Un système d’entraînement électrique peut fonctionner dans 4 quadrants: CF.
Figures IV-23