MBSOFT : a Symbolic/ Numerical Program for Analysing Mechanical

Machines à courant continu
E. MATAGNE
[email protected]
ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain
Introduction
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Il est pratique de disposer de machines pouvant fonctionner en
courant continu (DC) car cela permet d’effectuer plus facilement
des connexions
3

avec d’autres machines du même type sans s’occuper de formes
d’onde

avec des dispositifs naturellement DC, comme les piles, les piles
à combustible, les bacs à électrolyse, les accumulateurs, les
modules photovoltaïques, les dispositifs électroniques …
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Il existe bien quelques dispositifs « spontanément » DC.
Roue de Barlow (1822): Selon les historiens, ce n’est pas le premier
moteur électrique puisqu’il n’y a pas de poulie !
4
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On calcule la force sur un conducteur par la règle Bli . Donc, dans ce cas,
A
R
o
0
Cem   r  Bi d  
1
2
Bir dr  BR A i
2
Note : même si les filets de courants ne sont pas
radiaux, le même résultat reste correct pourvu que
le champ B soit uniforme.
5
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Le dispositif est réversible
Historiquement, son utilisation en génératrice a été découverte
indépendamment.
Disque de Faraday (1831)
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La force électromotrice comporte, outre la chute ohmique Ri, un terme de
glissement. Pour un conducteur se déplaçant dans un champ constant, on
peut appliquer la règle Blv :
A
R

Bv d  
o
0
1
2
Bm r dr  BR A m
2
(même si le circuit se subdivise en filets
qui ne sont pas radiaux, le résultat reste le
même pourvu que le champ B soit
uniforme.)
On obtient
d 1
2
u
 BR A m  Ri
dt 2
7
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En régime, on a
d
0
dt
Donc
1
2
U  BR A m  Ri
2
1
2
Cem  BR A i
2
8
Le coefficient de couplage
électromécanique est le même
dans les deux équations, ce qui est
normal pour arriver à un bilan
d’énergie correct.
1
2
Ui  BR A mi  Ri 2
2
 Cem m  R i 2
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En posant
1
2
kT  BR A
2
on obtient
(facteur de couple)
U  kT m  Ri
Cem  kT i
Si on exprime la vitesse en tours par minutes (N), on peut écrire
U  k E N  Ri
Cem  kT i
9
où
2
k E  kT
60
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U a  kT m  Ra ia
Cem  kT ia
Nous avons ajouté un indice « a » pour le cas où
le dispositif comporterait, à la place d’un aimant
permanent, un inducteur « f ».
Comportement simple, facile à maîtriser.
Formules à retenir !
Malheureusement, les machines dérivées de ces dispositifs ne peuvent
fonctionner qu’avec de faibles tensions car le conducteur actif ne traverse
qu’une seule fois le champ magnétique. Leur avantage est une résistance
faible, mais il faut pour en profiter réaliser les contacts glissants d’une façon
très soignée (bain de mercure sur toute la périphérie …).
Elles ne sont utilisées donc utilisées que très rarement.
On peut cependant réaliser des machines présentant le même comportement
simple, mais avec plus de souplesse dans le choix des niveaux de tension et
de courant. Nous allons voir comment.
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On préfère utiliser des circuits ordinaires (filiformes) car
on peut alors former des enroulements composés d’un
grand nombre de spires, donc obtenir des tensions plus
élevées.
Malheureusement, les circuits filiformes ne permettent pas
d’obtenir des tensions induites dc. On a en effet
d
u
 Ri
dt
Or, le terme de tension induite
d
dt
ne peut avoir de composante continue que si  tend vers l’infini, ce
qui est physiquement impossible.
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Pour pouvoir utiliser des circuits filiformes, dont les grandeurs sont
alternatives, et obtenir des grandeurs continues aux bornes de la machine,
il faut donc convertir les grandeurs de AC en DC.
La conversion AC/DC peut se faire de façon mécanique ou électronique.
Différents systèmes mécaniques ont été essayés historiquement.
La structure qui s’est imposée est celle où l’enroulement AC (induit) se
trouve au stator, le stator servant à obtenir un champ immobile : c’est
donc une structure inversée par rapport à l’alternateur normal. Le fait de
mettre au rotor le circuit qui intervient dans la conversion d’énergie ne se
justifie que parce que cela permet de simplifier la structure du
convertisseur AC/DC qui y est associé.
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Le collecteur est un dispositif
qui effectue automatiquement
le changement de sens des
connexions au moment
favorable.
Sur la figure ci-contre, le flux
« passe mal » su stator au rotor.
De plus, avoir un collecteur à deux lames pose beaucoup de problèmes : au
moment de la commutation, on a un instant de circuit ouvert (étincelles !) ou de
court-circuit (gênant si machine connectée à une source de tension). Dans le cas
d’un moteur, il existe des positions pour lesquelles on n’a pas de démarrage.
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Améliorations :
Géométrie des pôles :
La navette siemens
Inconvénient : fort couple réluctant
Régularité de la tension et du couple :
Avec trois lames et trois bobines, c’est déjà
mieux. Cependant, la tension induite est encore
fort irrégulière, de même que le couple.
On est donc allé plus loin dans la multiplication
du nombre de bobines. Le rotor devient alors
magnétiquement lisse (nombreuses petites
encoches).
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Le stator sert à obtenir le champ
magnétique. On l’appelle l’inducteur.
Il peut comporter des aimants ou un
bobinage parcouru par un courant
continu.
En pratique, l’inducteur a une forme
compacte. Mis à part sa situation au
stator, il est comparable à l’inducteur
d’une machine synchrone à aimants
ou à pôles saillants.
Le rotor, appelé « induit », est lisse
comme l’induit des machines AC
(sinon, fort couple réluctant).
Le rotor comporte un grand nombre de circuits élémentaires nommés « sections ».
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Quelle est la forme idéale
pour les pôles,
pour le bobinage de l’induit ?
Pour répondre à cette question, considérons une section placée dans
deux petites encoches.
On souhaite avoir la tension
moyenne la plus élevée possible.
Or
d
uinduite  
dt
Le signe (sens du circuit) doit être
changé par le collecteur quand cette
tension s’annule, donc quand le flux
y est maximum.
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 max
 min
1
d
d
 uinduite   [ 
dt  
dt ]
T  min dt
 max dt
2
( max  min )
T
Soit, avec la symétrie habituelle

4
 uinduite    max
T
Le but est donc d’obtenir le flux le plus élevé possible. On choisit un entrefer
d’épaisseur minimum sur toute la surface des pôles (contrairement à ce que
l’on fait dans le cas des machines synchrones, car il n’y a plus de raison
d’obtenir un champ sinusoïdal).
En l’absence de courant induit,
la forme du champ d’entrefer
est donc celle représentée cicontre.
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Exemple de calcul approché du flux (machine
à 1 paire de pôles)
He 
nf if
Be   0
2e
nf if
2e
D’où le flux par pôle
  Be S P
Sur une section de n1 spires , on a
 section max  n1 
Sur l’inducteur, on a
 f  nf 
On en déduit
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Lf 
 f
i f
2
 0
n f SP
2e
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4
 uinduite    max
T
Compte tenu du « trou » entre les
pôles, il n’est pas nécessaire que les
conducteurs aller et retour soient
décalés d’un pas polaire complet
(« pas diamétral »). On peut avoir un
« pas raccourci ». L’allure du flux
encerclé est représentée ci-contre dans
le cas d’une machine à pas diamétral
(les angles sont écornés dans le cas
d’une machine à pas raccourci).
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En réalité, il y a un grand nombre
sections identiques, mais décalées
l’une par rapport à l’autre, de
sorte que toute la surface du rotor
est couverte d’encoches contenant
les conducteurs de ces sections.
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Les sections ne sont pas connectées en étoile (il faudrait des balais
très large pour couvrir toutes les lames), mais en polygone.
Cette figure montre comment les sections sont disposées dans le cas
d’une machine à une paire de pôles et à pas diamétral : chaque section
est connectée entre deux lames de collecteur voisines.
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On peut donc représenter les connexions entre les sections comme indiqué sur la figure
de droite (le mode de connexion en polygone y apparaît bien). L’induit est formé dans le
cas considéré de deux branchements comportant chacun une moitié des sections.
On peut considérer l’ensemble des sections de l’induit comme un seul circuit, le « circuit
d’induit », dont la position est liée à celle des balais. La figure de droite illustre cette
idée. Les grandeurs relatives au « circuit d’induit » sont repérées par la lettre « a ».
Note : l’induit est en quadrature magnétique avec l’inducteur. Le couplage entre les deux
circuits est nul ! Ce fait est d’ailleurs utilisé en pratique pour positionner les balais.
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Le problème de la commutation
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Dans les sections en commutation, le courant doit changer de
signe en un temps court. En remplaçant les balais ponctuels
par des balais larges couvrant plusieurs lames, Zénobe
Gramme a laissé au courant le temps de changer de sens.
Idéalement, l’évolution du courant devrait être linéaire pour
garder une densité de courant constante sous les balais.
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En pratique, il n’en est
pas ainsi à cause de
l’inductance des sections
en commutation (qui
occasionne un retard
dans l’évolution du
courant)
Sur la figure, nb est le nombre de branchements (2 sur les figures précédentes)
Pour obtenir une commutation linéaire, la pente du courant doit être
proportionnelle à la vitesse de rotation (car le temps disponible en dépend) et à la
valeur du courant d’induit ia .
Solution bricolée : décaler les balais pour que les sections en commutation
reçoivent des pôles un flux variant dans le temps. La force électromotrice induite
dans ces sections est bien proportionnelle à la vitesse. Hélas, elle ne dépend pas
du courant d’induit. Le décalage des balais devrait donc dépendre du courant, de
sorte que l’on doit en pratique se contenter d’un compromis.
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Meilleure solution : munir le stator
de pôles de commutation, situés
entre les pôles principaux, et munis
d’un enroulement parcouru par le
même courant que l’induit. Ces
pôles doivent produire un champ
proportionnel au courant (donc
entrefer plus grand sous ces pôles
pour réduire la saturation
magnétique). Grâce à ce champ, les
spires en commutation reçoivent un
flux variable, ce qui y induit la force
électromotrice nécessaire au
retournement du courant. On arrive
ainsi à obtenir une bonne
commutation à tous les régimes.
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Établissement des équations
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En régime, la tension d’induit est égale à la tension moyenne d’une
section, multipliée par le nombre n2 de section par branchement.
4
4
U induite  n2  usection induite   n2  max  n1n2 
T
T
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4
4n1n2 p
U induite  n1n2  
 m
T
2
U induite  k m
où k est une constante qui ne dépend que de la
géométrie de la machine.
kT  k et
2
kE 
k
60
k est essentiellement une fonction de if . Il dépend aussi du
courant d’induit ia à cause de la saturation magnétique : cet
effet s’appelle la « réaction d’induit ».
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La relation entre le flux et le courant
d’inducteur a l’allure d’une courbe
d’hystérésis.
En fait, ce que l’on appelle en
technique la caractéristique
magnétique est obtenue en portant en
ordonnée le flux multiplié par k et par
la vitesse de rotation nominale (en
rad/s). On obtient ainsi en ordonnée la
tension à vide (en l’absence de
courant d’induit).
On remarque la présence d’un flux rémanent.
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Nous ne chercherons pas à établir directement l’expression du
couple.
La conservation de l’énergie implique que l’on ait
Cem = k  ia
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Les équations dynamiques sont
d a
 k m  Ra ia
dt
d f
uf 
 Rf if
dt
Cem  k ia
ua 
Avec a = a (ia,) ou a (ia , if )
f = f (if,) ou f (ia , if )
avec k  k(i f ) ou k  k(i f , ia )
Soit, en régime permanent
ua  k m  Ra ia
u f  Rf if
Cem  k ia
avec k  k(i f ) ou k  k(i f , ia )
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d a
 k m  Ra ia
dt
d f
uf 
 Rf if
dt
Cem  k ia
ua 
avec k  k(i f ) ou k  k(i f , ia )
deviennent dans le cas linéaire (sans saturation)
di a M af

i f m  R a i a
dt

di
u f  Lf f  R f if
dt
où  est la position du circuit d’induit
M af
(c’est-à-dire celle des balais)
Cem 
if ia

u a  La
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Le problème de la réaction d’induit
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Le courant ia modifie la répartition de champ magnétique dans
la machine. C’est ce que l’on appelle la réaction d’induit.
Les conducteurs de l’induit
situés sous un même pôle sont
tous parcours par un courant
allant dans le même sens. Ils
tendent donc à faire apparaître
un champ de la forme
représentée ci-contre. Le
champ principal traversant le
pôle est donc renforcé d’un
côté et affaibli de l’autre.
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Si les balais sont bien placés, on s’attend à ce que la réaction d’induit
n’ait pas d’effet sur le flux principal, donc sur la tension induite, puisque
les enroulements d’induit et d’inducteur sont alors en quadrature. Ce
serait effectivement le cas en l’absence de saturation : le courant
d’induit produirait un champ d’entrefer ayant la forme ci-dessous.
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Ce champ
s’additionne au
champ associé à
l’inducteur d’un
côté du pôle, et
s’en soustrait de
l’autre côté.
La saturation réduit
le champ à
l’endroit où il est le
plus fort, de sorte
que le flux total est
réduit.
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Quel que soit son signe, le courant d’induit occasionne une diminution du flux
principal.
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L’effet de la réaction
d’induit sur le flux
principal est en
première
approximation
quadratique en ia et
linéaire en if .
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En général, on veut combattre ce phénomène. Cela se fait
habituellement en limitant la dimension des cornes polaires.
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Pour de très grosses machines, on
utilise parfois un enroulement
supplémentaire, l’enroulement de
compensation (à ne pas confondre
avec de circuit des pôles de
commutation). L’enroulement de
compensation est disposé dans de
petites encoches creusées à la surface
des pôles. On peut ainsi créer une
« densité de courant » exactement
opposée à celle de l’induit.
L’enroulement de compensation est
mis en série avec l’induit. Sa
résistance s’ajoute donc à Ra .
Nous verrons plus loin une troisième méthode, celle
de l’enroulement compound.
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La résistance d’induit
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La résistance d’induit n’est pas
linéaire, à cause du contact entre
balais et lames de collecteur. En
fait, on a intérêt à considérer Ra ia
comme un tout fonction de ia .
On ne peut pas mesurer Ra avec
un courant faible (ohmmètre,
pont de mesure DC) car on
trouverait ainsi une valeur
beaucoup trop grande (la pente à
l’origine).
Si on ne dispose que de dispositifs à faible courant pour mesure Ra , il vaut mieux
mesurer directement la résistance entre les lames de collecteur qui font face aux
balais, et ajouter au résultat la résistance des éléments en série avec l’induit, que
l’on mesure alors séparément, ainsi que la contribution des contacts lames-balais,
que l’on estime grossièrement dans ce cas.
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En première approximation, on
peut distinguer dans la fonction
(Ra ia) un terme constant (dont le
signe dépend de celui de ia) et
un terme linéaire :
(Ra ia ) = useuil sgn(ia) + Ra diff ia
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Comportement des machines DC
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Considérons
d’abord le cas où
l’induit et
l’inducteur sont
alimentés par des
circuits distincts.
ua  k m  Ra ia
Cem  k ia
donc, éliminant ia
C em
47
u a  km
 k
Ra
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On peut régler la vitesse
par le courant
d’excitation.
En augmentant le courant d’excitation,
on diminue la vitesse. Il n’est pas
possible de descendre jusqu’à une
vitesse nulle. Ce type de commande
n’est donc possible que pour un petit
ajustement de la vitesse. On
surdimensionne parfois l’inducteur pour
avoir une plage de réglage plus grande.
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Le montage présenté ne peut pas être
utilisé si on coupe l’alimentation de
l’inducteur en ouvrant le circuit, car
l’inductance de l’inducteur occasionne
alors une surtension dangereuse.
A noter que la vitesse augmente
lorsque le courant d’excitation
diminue. Il y a donc un risque
d’emballement en cas de « panne »
du circuit d’inducteur lors d’un
fonctionnement à faible charge (si
la machine est chargée, il y a moins
de danger car le surcourant d’induit
pourra déclencher une protection).
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On peut remplacer la résistance de réglage par un dispositif
électronique de puissance : on économise un peu d’énergie et le
réglage peut être automatisé. On peut aussi combiner ce réglage
avec une résistance fixe qui garantit que le courant if restera
toujours suffisant pour éviter l’emballement.
Un mode de commande plus efficace consiste à effectuer la
commande par la tension d’induit. On a en effet
ua  k m  Raia
u a  Ra ia
m 
k
Raia étant normalement petit, la vitesse est à peu près proportionnelle à
la tension ua . Cette méthode est plus coûteuse puisque la puissance à
commander est beaucoup plus grande (c’est toute la puissance du
moteur). On utilise donc normalement pas de résistances pour réaliser
cette commande, mais un dispositif électronique de puissance.
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Si la tension d’induit n’est pas
commandée en fonctionnement
normal, on utilise néanmoins une
résistance pour limiter le courant
de démarrage, qui vaudrait sinon
U/Ra au démarrage, soit
beaucoup plus que le courant
nominal puisque RaIa est
normalement petit.
L’effet de Rd est d’augmenter la
valeur de Ra à mettre dans les
équations
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On passe d’un fonctionnement
en moteur à un fonctionnement
en génératrice en changeant le
signe du couple
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Si on réalise une commande
par la tension d’induit, on
peut changer le sens de
rotation de façon progressive,
donc utiliser les 4 quadrants
du diagramme Cem-m .
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Dans beaucoup de cas, l’inducteur est prévu pour pouvoir être connecté en série
avec l’induit. On parle alors de moteur DC série (le fonctionnement en dynamo
est impossible si la charge se comporte comme une source de tension car il est
alors électriquement instable).
On obtient les équations de cette
machine en ajoutant à Ra la
résistance de l’inducteur série, et
en identifiant ia et if .
54
ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain
L’avantage de ce moteur est que,
quand le couple demandé est
élevé, le courant d’excitation
croît automatiquement. La
caractéristique couple-vitesse est
la représentée ci-contre.
L’inconvénient est un risque
d’emballement en cas de
disparition de la charge
mécanique.
Il est utilisé en traction sur des
véhicules sans embrayage !
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ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain
En l’absence de
convertisseur électronique,
le démarrage d’un moteur
série peut se faire en
utilisant une résistance de
démarrage.
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D’autres machines sont concues de façon à ce que l’inducteur puisse
être connecté en parallèle sur l’induit. On parle alors de machine DC
shunt.
Dans le cas d’un moteur shunt alimenté par une source de tension,
l’étude faite pour la machine à excitation indépendante peut être
reprise telle quelle.
La dynamo shunt devrait faire l’objet d’une étude, mais elle n’est
pratiquement plus utilisée. Alors…
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Certaines machines comportent, outre l’inducteur principal de type
shunt ou indépendant, un inducteur auxiliaire de type série.
On parle de machine compound quand l’inducteur auxiliaire renforce
le flux (utile pour compenser la chute de tension ohmique d’une
dynamo en charge ou pour compenser la réaction d’induit).
On parle de machine anticompount quand l’inducteur auxiliaire réduit
le flux (utile pour compenser la chute ohmique d’un moteur en charge).
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Les différentes connexions du circuit d’excitation sont donc les suivantes
Indépendante
Shunt
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Série
Compound (concordant ou anticompound)
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Normalisation des sens de référence
La vitesse de rotation est positive si elle est antihorlogique lorsque
l’on regarde la machine par l’extrémité où se trouve le collecteur.
Les bornes de l’induit sont repérées par les lettres
A-B
Les bornes d’un inducteur shunt ……
C-D
Les bornes d’un inducteur série ou compound ….
E-F
Les bornes du circuit de commutation
G-H
Les bornes d’un inducteur à excitation indépendante …
I-J
Le courant est positif quand il entre par la première des lettres de la
paire (A, C, E, G ou I). La tension est positive si le potentiel de la
première lettre (A, C, E, G ou I) est supérieur à celui de la seconde
(B, D, F, H ou J).
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Moteur série monophasé
(dit « moteur universel »)
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Le moteur DC a l’avantage de la simplicité. En outre, le moteur DC série a une
caractéristique couple-vitesse intéressante pour certaines applications (couple
élevé à faible vitesse, décroissant progressivement à vitesse croissante). Au
contraire, les machines AC classiques nécessitent une alimentation triphasée et
fonctionnent à vitesse constante (machine synchrone) ou quasi-constante
(machine asynchrone).
Il est donc fréquent de souhaiter utiliser un moteur DC même l’alimentation dont on
dispose est AC. On pourrait dans ce cas utiliser un redresseur, mais il existe une
autre possibilité, encore très utilisée aux petites puissances : le moteur série
monophasé.
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Principe
Dans une machine DC, si on change à la fois le sens du courant d’induit et du
courant d’inducteur, le couple garde le même signe, puisque l’on change alors à la
fois le signe du flux et du courant d’induit, et que le couple dépend du produit de ces
grandeurs.
On pourrait donc penser qu’il est possible d’alimenter un moteur shunt ou un moteur
série en courant alternatif.
En fait, ce n’est pas indiqué pour un moteur shunt parce que le courant d’inducteur
et le courant d’induit évolueraient selon des rythmes différents : le courant
d’inducteur serait à peu près en quadrature avec la tension, le courant d’induit serait
très déformé. On aurait un couple très faible malgré des pertes élevées.
Le moteur série ne présente pas cette difficulté puisque les courants d’induit et
d’inducteur sont identiques. Son fonctionnement en AC n’est cependant pas sans
problèmes.
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Problèmes du moteur série monophasé
• Le champ étant alternatif, il y a apparition de pertes magnétiques (par
hystérésis et par courants de Foucault). L’inducteur doit donc impérativement
être feuilleté. Le rendement est affecté, puisque ce moteur a des pertes
magnétiques aussi bien à l’inducteur qu’à l’induit.
• Puisque les flux d’inducteur et d’induit sont alternatifs, il apparaît dans ces
enroulements des chutes de tension inductives. Le facteur de puissance (cos j )
du moteur risque donc d’en être affecté. Par contre, la réduction du courant de
démarrage qui résulte de ce phénomène peut être intéressante.
• Les conditions de commutation du moteur sont fortement modifiées : on peut
donc s’attendre à des étincelles au collecteur, donc à des parasites HF et à une
usure plus rapide des balais.
Les mesures prises pour pallier ces problèmes n’empêchent pas le moteur de
fonctionner en courant continu. Pour cette raison, le moteur série monophasé
est souvent appelé « moteur universel ».
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Circuit équivalent du moteur
La tension du moteur universel se compose de plusieurs termes.
Comme dans le cas du moteur DC, on a
• la force contre-électromotrice
E = km = K  N où k et K = k  / 30 dépendent du nombre de
spires et de la géométrie de l’enroulement d’induit,
la vitesse de rotation N étant en tours / minute et m en rad/s .
• les chutes de tension ohmiques Rs i et Ra i
On a en outre
• les f.é.m. dues à la variation des flux d’inducteur (désigné ici par la lettre s)
principal Es = - ns d / dt et de fuite Esf = - dYf / dt
• les f.é.m. dues à la variation des flux d’induit
principal Ea = - dYa / dt et de fuite Eaf = - dYaf / dt
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En supposant que tous ces flux sont proportionnels au courant i , on peut
prendre leur effet en compte à l’aide d’inductances Ls , Lsf , La , Laf .
Dans ce cas, la grandeur E = k  N est, elle aussi, proportionnelle au courant (à
vitesse fixée, elle se comporte comme une résistance !).
Donc, tous les termes étant linéaires, une tension d’alimentation sinusoïdale
entraînera l’apparition d’un courant sinusoïdal.
On peut donc passer aux phaseurs, et considérer au lieu des résistances des
réactances Xs , Xsf , Xa , Xaf .
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Diagramme vectoriel et caractéristiques
Le diagramme phasoriel résulte
immédiatement du circuit équivalent.
On a
Les chutes de tension résistives et
inductives sont proportionnelles au
courant.
E est proportionnelle à la fois au
courant et à la vitesse.
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Caractéristiques
Négligeons les chutes de tension Ra i et Rs i et posons  = c i
On obtient aisément
C = k  i = k c i2 et E = K  N = K c N i
Donc
<C> = k c I2
par la suite, on n’écrira plus le symbole < >
L’expression du
couple reste valable
même si le courant
n’est pas sinusoïdal :
c’est la valeur
efficace du courant
qui est importante.
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On obtient aisément (voir équations ou circuit équivalent)
EKcNI
U  E  jX I
où X = Xs + Xsf + Xa + Xaf
On peut écrire I en fonction de la tension U et de la vitesse N :
I
U
K 2c 2 N 2  X 2
Sur la figure, on a
porté le cos j et la
caractéristique du
même moteur en
DC.
Les cos j est
mauvais aux
vitesses moyennes
et faibles.
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La réactance X permet de limiter le courant à faible
vitesse, mais elle détériore le cos j .
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En portant l’expression de I dans celle du couple, on obtient aussi
kcU 2
C 2 2 2
K c N  X2
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Commutation
Le problème de la commutation est plus difficile
que dans les machines DC.
Dans une machine DC, la section en
commutation est soumise à une f.é.m. qui ne
dépend que du champ à l’endroit où se trouvent
ses conducteurs. Cette f.é.m. est faible car les
conducteurs de la section en commutation se
trouvent entre deux pôles.
Dans le cas du « moteur universel », la section
en commutation est le siège d’une f.é.m. due au
fait que le flux encerclé (tout le flux  d’un pôle)
est alternatif (f.é.m. induite par effet
« transformateur »).
En l’absence de mesures spéciales, le rendement souffre de la mauvaise
commutation. Hélas, la plupart des mesures que l’on peut prendre pour améliorer la
commutation ont un effet défavorable sur les pertes ohmiques de l’induit, comme
nous le verrons plus loin.
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Commande de vitesse
Le fonctionnement du moteur universel est peu affecté par une distorsion de la
forme d’onde : c’est essentiellement la valeur efficace de sa tension d’alimentation
qui détermine son comportement (pour rappel, le couple dépend du carré du
courant efficace).
Il peut donc être commandé d’une façon très économique à l’aide d’un triac grâce
auquel on n’applique au moteur qu’une fraction de chaque alternance de la
tension.
Ce procédé est utilisé notamment dans certains lave-linge (il permet d’obtenir
plusieurs vitesses de lavage et d’essorage).
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Note sur les applications de puissance
Le « moteur universel » n’est plus guère utilisé que pour de petites puissance
(électroménager…). Il a pourtant par le passé été utilisé en traction.
Cela implique une amélioration de la commutation. Pour cela, il faut munir la machine
de pôles de commutation. Le rôle de ces pôles est double. Non seulement le champ
qu’ils produisent doit faire apparaître dans la section en commutation une f.é.m. qui va
y inverser le sens du courant (comme dans une machine DC classique), mais cette
f.é.m. doit aussi compenser la f.é.m. induite dans la section en commutation par effet
de transformateur.
Pour cela, leur enroulement doit être parcouru par un courant déphasé par rapport au
courant d’induit. On peut y arriver en shuntant les pôles de commutation par une
résistance ou un condensateur, la compensation est alors bonne pour toutes les
valeurs du courant, mais, contrairement au cas des moteurs DC, elle n’est bonne qu’à
une seule vitesse !
On doit donc prendre d’autres mesures (voir dia suivante)
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Un autre moyen est de réduire le flux  de l’inducteur en diminuant son nombre de
spires … et en augmentant en augmentant pour garder le même couple le nombre
de spires de l’induit. La machine est alors sujette à la réaction d’induit, ce que l’on
doit pallier par un enroulement de compensation. Pour que l’on améliore la
commutation par ce procédé, il faut que l’augmentation du nombre de spires de
l’induit se fasse en gardant le même nombre de spires par section, donc en
augmentant le nombre de sections. L’induit obtenu est plus compliqué, a plus de
conducteur passifs, est en série avec un enroulement de compensation et donc a
des pertes ohmiques plus élevées.
L’utilisation d’un moteur universel à puissance élevée implique aussi une
amélioration du cos j . La réduction du nombre de spires de l’inducteur et l’ajout
d’un circuit de compensation ont pour effet de réduire respectivement l’inductance
de l’inducteur et celle de l’induit. La réduction des inductances a pour conséquence
l’amélioration du cos j , mais le courant de démarrage est plus grand. Il faut limiter
le courant de démarrage (ce qui est de toute façon nécessaire en traction pour
éviter les à-coup de couple) en réduisant la tension, ce qui peut se faire par un
transformateur puisque l’on est en AC.
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Ainsi, le rendement du « moteur universel » à 50 Hz est toujours médiocre.
• Il a des pertes magnétiques aussi bien à l’induit qu’à l’inducteur,
• Ses pertes d’induit sont plus élevées soit à cause de la mauvaise commutation, soit
parce que les mesures prises pour améliorer la commutation augmentent les pertes
Joule.
Ces problèmes peuvent être atténués en utilisant une fréquence plus faible. C’est
pour cette raison que le réseau de chemin de fer allemand utilise une fréquence f =
50 Hz / 3 = 16.666 Hz. Malheureusement, quand la fréquence est faible, la taille des
transformateurs et d’autres dispositifs augmente.
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Conclusion
L’utilisation en AC de moteurs universels reste intéressante pour de petites
puissances.
Pour les applications de puissance, il est handicapé par ses difficultés de
commutation et son rendement médiocre, des inconvénients que l’on ne peut
atténuer qu’au prix de l’utilisation d’un réseau de transport d’énergie à
fréquence plus faible. L’électronique de puissance a fait apparaître des
solutions plus intéressantes, et donc conduit à l’abandon de ces machines
pour les applications à puissance élevée.
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