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Auteur(s)
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François BERNOT : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Docteur en sciences pour l’ingénieur - Maître de conférences à l’UTBM (Belfort)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La classe des moteurs à courant continu n’intègre que les moteurs à collecteurs alimentés en courant continu. Elle exclut les moteurs alternatifs à excitation série, dits universels, qui utilisent la même structure à collecteur, ainsi que les structures « brushless », où le collecteur devient électronique.
Le moteur à collecteur fut la première machine électrique inventée. L’histoire retient le nom de Zénobe Gramme pour sa première réalisation industrielle en 1871. Wernher von Siemens proposa peu après la version à induit cylindrique de cette machine. Ces deux machines, conçues comme une application de la théorie des champs, ne fonctionnaient alors qu’en génératrice. Elles engendrèrent bien des sourires face à la puissance de la vapeur. Mais leur application rapide comme moteur réversible leur valut un franc succès et, dès 1880, des trains de mines furent électrifiés et un premier ascenseur électrique fut construit. Au début du siècle, la traction électrique acquit ses lettres de noblesse, avec plusieurs vitesses record de 205 km/h.
Le moteur à courant continu a l’avantage d’être facile à appréhender, car les deux bobines qui le composent sont non seulement fixes dans l’espace grâce à l’action du collecteur, mais aussi faiblement couplées. Il offre donc une introduction facile au fonctionnement de ses homologues, en donnant des repères clairs, auxquels le néophyte pourra toujours se raccrocher.
Les moteurs à courant continu ont pendant longtemps été les seuls aptes à la vitesse variable à large bande passante (robotique). Ils ont donc fait l’objet de nombreuses améliorations, et beaucoup de produits commercialisés aujourd’hui n’ont rien à envier à leurs homologues sans balais.
Ce sont les progrès de l’électronique de puissance qui ont détrôné les machines à balais, à l’avantage des technologies synchrones autopilotées. Mais les raisons essentielles de ces choix restent l’accès à des vitesses de rotation plus grandes, une meilleure compacité et, très rarement, la fiabilité.
cet article est une coédition partielle d’un des chapitres du livre de l’auteur : la vitesse variable électrique, motovariateurs à courant continu [1].
ce fascicule décrit tout d’abord la constitution et le fonctionnement d’un moteur simplifié, avant d’aborder une modélisation complète du fonctionnement du moteur seul, puis avec différents couplages. Nous continuons par une étude des modes de commande en vitesse, associée aux problèmes de démarrage. Enfin, nous terminons par une synthèse des utilisations potentielles des moteurs à courant continu, et de leurs perspectives d’évolution.
L’article constituera la suite logique de cet exposé en traitant de la construction des moteurs industriels où les différentes parties constitutives sont analysées en détail. Nous y parlerons des techniques de bobinage de l’induit et de l’inducteur, de leurs calculs, puis des pôles auxiliaires.
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4. Commande en vitesse variable
Nous avons examiné le comportement en alimentation fixe des moteurs pour divers couplages de l’inducteur. Longtemps le moteur à courant continu a été le seul apte à la vitesse variable. De nombreuses solutions furent alors imaginées, en partant de résistances jusqu’aux variateurs électroniques modernes. Nous allons examiner rapidement dans quelles conditions le moteur à courant continu peut être utilisé en variation de vitesse.
4.1 Moteur à excitation séparée
Nous avons vu que la caractéristique de couple de la figure 17 était presque verticale. En négligeant la chute de tension résistive de l’induit ( R i ≈ 0 ), nous pouvons écrire :
U ≈ E = hIfΩou encore :
Cette relation rappelle clairement ce que nous avons déjà évoqué : la vitesse de rotation peut être augmentée par une action sur l’induit ( U ) ou sur l’inducteur ( I f).
Traditionnellement, la stratégie de commande suivante est adoptée :
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si la vitesse de rotation est inférieure à la vitesse nominale , le flux est maintenu à sa valeur nominale, la variation de vitesse est alors réglée par la tension d’induit ;
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si la vitesse de rotation est supérieure à la vitesse nominale , la tension d’induit reste constante (imposée par la source), la vitesse est augmentée en baissant le courant d’excitation (défluxage).
La puissance instantanée fournie dans la première zone (flux constant) augmente avec la vitesse, tandis qu’elle reste constante...
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