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). a. Le Stator Figure IV-1 : Coupes transversale et longitudinale d une MCC 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. c. Collecteur/Balaies Figure IV-3.a : Rotor de la MCC 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 E xy recueillie est égale à la somme des tensions entre les lames soit E xy =+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 n = vitesse de rotation en trs/mn E0 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 E 0 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 I x 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 I x diminue, le flux diminue et la tension induite E 0 diminue. Si l on connait la courbe de saturation et la résistance totale R t 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 R t. 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 R 0 en série avec une tension E 0, 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 E 0. 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 E 0. 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 E 0 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 (E s E 0 ) et le courant I n est limité que par la résistance R 0. Es E I R Lorsque le moteur est au repos, la vitesse est nulle, donc la tension E 0 =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, E 0 augmente et la valeur de la tension résultante (E s E 0 ) 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 0 0
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 : P s = E s I et E s =E 0 +R 0 I P s =E 0 I+R 0 I 2 R 0 I 2 représente les pertes Joules dissipées sous forme de chaleur dans l induit. P m =E 0 I est la puissance mécanique développée par le moteur en Watt. P m E 0 I et P m 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 I XM de l inducteur du moteur M constante, alors que l on fait varier celle (I XG ) de la génératrice. On peut même changer le sens de rotation du moteur en inversant la polarité de la tension E s 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 IV- 18 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