Machine à courant continu

Une machine à courant continu est une machine électrique : convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique.

• En fonctionnement moteur l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique
• En fonctionnement générateur l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique. La machine se comporte comme un frein.

La génératrice à courant continu est aussi appelée dynamo

Sommaire

1 Machine de base ou machine à excitation indépendante 1.1 Description sommaire 1.2 Constitution et principes physiques 1.3 Schéma électrique idéalisé 1.4 Comment ça marche (descriptif) 2 Machine à excitation constante 3 Moteur série 4 Excitation Shunt 5 Excitation composée ou Compound 6 Avantages et inconvénients

Machine de base ou machine à excitation indépendante

Description sommaire

Une machine électrique à courant continu est constituée :

• D'un stator qui est le siège d'un champ magnétique fixe B_s créé soit par des enroulements statoriques soit par des aimants permanents. Ce stator est aussi appelé inducteur en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.
• D'un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité dans chaque enroulement statorique au moins une fois par tour et qui permettent de créer un champ magnétique rotorique en quadrature avec le champ statorique. Les enroulements rotoriques sont aussi appelés enroulement d'induits en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.

Constitution et principes physiques

Le schéma de ce type de machine est donc le suivant :

• Le courant I, injecté via les balais au collecteur, traverse un conducteur rotorique (=une spire rotorique) et change de sens (="commutation") au droit des balais. Afin d'éviter une surtension, on dispose les balais sur la « ligne neutre » (=zone où la densité de flux est nulle). Cette ligne peut néanmoins se déplacer selon que la machine travaille à forte ou à faible charge. Une surtension risque alors d'apparaître dans la spire qui commute et provoquer la destruction progressive du collecteur. Pour pallier cela, c-à-d compenser la réaction d'induit, on utilise des pôles de commutation.
• Le champ statorique (B_s sur le schéma) agit sur les conducteurs rotoriques traversés par l'intensité I : la force de Laplace (F_L sur le schéma) qui résulte de cette interaction est identique en module pour deux conducteurs rotoriques diamétralement opposés mais comme ces courants sont en sens inverse grâce au système balais-collecteur, les forces sont aussi de sens opposés.
• La force ainsi crée est proportionnelle à I et à B_s . Le couple moteur T est donc lui aussi proportionnel à ces deux grandeurs.
• La tige conductrice traversée au rotor par le courant I se déplace soumis au champ statorique B_s . Elle est donc le siège d'une force contre électromotrice induite (loi de Faraday) proportionnelle à B_s et à sa vitesse de déplacement donc à la fréquence de rotation. L'ensemble de ces forces contre-électromotrices à pour conséquence l'apparition d'une force contre-électromotrice globale E aux bornes de l'enroulement rotorique qui est proportionnelle à B_s et à la vitesse de rotation du moteur.
• Pour permettre au courant I de continuer à circuler, il faudra que l'alimentation électrique du moteur délivre une tension supérieure à la force contre-électromotrice E induite au rotor.

Schéma électrique idéalisé

Ce schéma rudimentaire n'est pas valable en régime transitoire.

R_i et R_e sont respectivement les résistances du rotor et du stator

Ce schéma correspond aux équations électriques suivantes :

• - au stator : U_e = R_e . I_e (loi d'ohm) et le champs statorique vaut B_s = k_e . I_e (la moins exacte des formules de ce paragraphe car on ne tient pas compte des non-linéarités qui sont importantes et, en plus, on suppose que la machine comporte des enroulements de compensation (=enroulements de commutation) qui rendent ce champ indépendant des courants rotoriques. En fait, on fait passer dans ces enroulements de commutation un courant tel qu'il crée un champ annulant le champ induit au niveau des balais. Ce courant est le courant passant dans l'enroulement d'armature car le champ de commutation doit varier de la même manière que le champ induit.)
• - au rotor : U_i = E + R_i.I_i
  

D'autre part on a deux équations électromécaniques :

• - La force contre électromotrice : E = Cte . B_s . Ω (Ω = fréquence de rotation en rad/s).
• - Le couple électromécanique (moteur ou résistant) : T = Cte . B_s . I_i
  

On peut montrer que les constantes sont les mêmes pour les deux lignes, ce qui implique :

• E . I_i = T . Ω ou « Puissance électrique utile » = « Puissance mécanique »

Comment ça marche (descriptif)

Imaginons une machine électrique alimentée par une source de tension U. Lorsque le moteur tourne à vide (il ne fait pas d'effort) il n'y a pas besoin de fournir de couple, I_i est très faible et U ≈ E. La vitesse de rotation est proportionnelle à U.

• fonctionnement en moteur

Lorsque que l'on veut la faire travailler, cela la freine donc E diminue.
Comme U reste constante, le produit R_i.I_i augmente donc I_i augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre la diminution de vitesse : c'est un couple moteur
Plus on le freine, plus le courant augmente pour lutter conte la diminution de vitesse. C'est pourquoi les moteurs à courant continu peuvent « griller » lorsque le rotor est bloqué.

• fonctionnement en génératrice

Si une source d'énergie mécanique essaie d'augmenter, la vitesse de machine Ω augmente donc E augmente.
Comme U reste constante, le produit R_i.I_i devient négatif et augmente en valeur absolue, donc I_i augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre l'augmentation de vitesse : c'est un couple résistant
Le signe du courant ayant changé, le signe de la puissance consommée change lui aussi. La machine consomme une puissance négative, donc elle fourni de la puissance au circuit. Elle est devenue génératrice

Machine à excitation constante

C'est le cas le plus fréquent : B_s est constant car il est créé par des aimants permanents ou bien encore parce que U_e donc I_e sont constants.

Si l'on pose : Cte . B_s = K, les équations du paragraphe précédent deviennent :

• • U = E + R_i.I_i
  • E =K . Ω
  • T = K . I_i

Moteur série

L'excitation série étant aujourd'hui réservé à des moteurs, il n'est pas habituel d'utilisé le terme de machine à excitation série'.

Dans ce type de moteur, le stator est monté en série électrique avec le rotor.

• Donc le même courant traverse le rotor et le stator : I_i = I_e = I
  et la tension d'alimentation U = U_i + U_e
  
• B_s = k_e . I
  

les équations de la machine deviennent :

• • U = E + R_i.I + R_e . I = E + (R_i + R_e) . I
  • E = k . k_e . I . Ω = K . I . Ω
  • T = k . I . k_e . I = K . I²

• Les équations ci dessus permettent de montrer que les moteurs à excitation série peuvent développer un très fort couple à basse vitesse, c'est pourquoi ils ont été utilisés pour réaliser des moteurs de traction de locomotives jusque dans les années 1975.
  
• Aujourd'hui, les principales applications sont :
  • les démarreurs d'automobiles.
  • les moteurs universels (perceuses, ...) : le couple T = K . I² reste de même sens quel que soit le signe de I. La seule condition pratique pour qu'un moteur série soit un moteur universel est que son stator doit être feuilleté. (Remarque : une perceuse fonctionne très bien en continu : essayez de la brancher sur votre batterie d'automobile, ce n'est que du 12 V et elle tourne ...)

Excitation Shunt

Dans le moteur shunt le stator est monté en parallèle avec le rotor. Il n'y a plus beaucoup d'application à ce montage.

• Donc la tension aux bornes du rotor est la même que celle aux bornes du stator : U_i = U_e = U
  
  • B_s = k_e . I_e K . U
    

les équations de la machine deviennent :

• • U = E + R_i.I_i
  • E = K . U . Ω
  • T = K . U . I_i

Excitation composée ou Compound

Dans le moteur compound une partie du stator est monté en série électrique avec le rotor et une autre est de type parallèle ou shunt.

• Ce moteur réunit un stator serie et un shunt, les avantages des deux types de moteur : fort couple à basse vitesse mais qui ne s'emballe pas à vide (emballement = vitesse excessive).

Avantages et inconvénients

Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou charbons et le collecteur rotatif.

• Plus la vitesse de rotation est élevée, plus les balais doivent appuyer fort pour rester en contact et plus le frottement est important.
• Aux vitesses élevées les charbons doivent être remplacés très régulièrement.
• Le contact électrique imparfait cause des arcs électriques, usant rapidement le commutateur et générant des parasites dans le circuit d'alimentation.
• Pour des fonctionnements en moteur de petite puissance ce problème peut être résolu grâce à la technologie du moteur à courant continu sans balai communément appelé moteur brushless : un dispositif d'électronique de puissance remplace l'ensemble balai - collecteur: La position du rotor est détectée par des capteurs à effet Hall et le courant est commuté par des transistors à effet de champ

See also: Machine à courant continu, Alimentation, Arc, Capteur à effet Hall, Charbon, Dynamo, Machine électrique, Moteur universel, Parasite, Électronique de puissance