Machine à courant continu

Une machine à courant continu est une machine électrique. C'est un convertisseur électromécanique donnant la possibilité la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un système mécanique.



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Une machine à courant continu est une machine électrique. C'est un convertisseur électromécanique donnant la possibilité la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un système mécanique. Elle est aussi nommée dynamo.

Découverte par Zénobe Gramme, c'était au départ un simple générateur de courant continu (pour applications galvanoplastiques, par exemple, les accumulateurs étant onéreux). Le moteur sans balais, qui l'a supplanté, est un perfectionnement de cette machine.

Machine de base ou machine à excitation indépendante

Description de la machine à courant continu

Une machine électrique à courant continu est constituée :

Constitution et principes physiques

Schéma de machine à courant continu vue en coupe latérale. La partie ronde en gris au centre est le rotor, qui tourne dans le sens anti-horaire. L'autre partie en gris forme le stator.

Schéma électrique parfaitisé

Schéma-MCC.jpg

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

Ri et Re sont respectivement les résistances du rotor et du stator

Ce schéma correspond aux équations électriques suivantes :

D'autre part on a deux équations électromécaniques :

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

Imaginons une machine électrique alimentée par une source de tension U constante. Quand le moteur tourne à vide (il ne fait pas d'effort) il n'y a pas besoin d'apporter de couple, Ii est particulièrement faible et UE. La vitesse de rotation est proportionnelle à U.

Quand on veut la faire travailler, en appliquant un couple résistant sur son axe, cela la freine par conséquent E diminue.
Comme U reste constante, le produit Ri. Ii augmente par conséquent Ii augmente, par conséquent 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 contre la diminution de vitesse. C'est pourquoi les moteurs à courant continu peuvent «griller» quand le rotor est bloqué, si le courant de la source n'est pas limité à une valeur correcte.

Si une source d'énergie mécanique essaie d'augmenter la vitesse de machine, (la charge est entraînante : ascenseur par exemple), Ω augmente par conséquent E augmente.
Comme U reste constante, le produit Ri. Ii devient négatif et augmente en valeur absolue, par conséquent Ii augmente, par conséquent le couple T augmente lui aussi et lutte contre l'augmentation de vitesse : c'est un couple frein.
Le signe du courant ayant changé, le signe de la puissance consommée change lui aussi. La machine consomme une puissance négative, par conséquent elle apporte de la puissance au circuit. Elle est devenue génératrice.

Ces deux modes de fonctionnement existent pour les deux sens de rotation de la machine. Celle-ci pouvant passer sans discontinuité d'un sens de rotation ou de couple à l'autre. On dit tandis qu'elle fonctionne dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse.

Machine à excitation constante

C'est le cas le plus fréquent : Bs est constant car il est créé par des aimants permanents ou bien toujours parce que Ie est constant.

Si on pose : Cte. Bs = K, les équations du paragraphe précédent deviennent :

Moteur série

L'excitation série étant actuellement réservée à des moteurs, il n'est pas habituel d'utiliser le terme de machine à excitation série.

Ce type de moteur est caractérisé par le fait que le stator (inducteur) est raccordé en série avec le rotor (induit).


En admettant que le flux = K'. I


les équations de la machine deviennent :

Une des conditions pratiques pour qu'un moteur série soit un moteur universel est que son stator soit feuilleté, car dans ce cas le flux inducteur peut être alternatif. (Remarque : une perceuse prévue pour le raccordement sur le réseau 230 V alternatif fonctionne aussi en courant continu : branchée sur une batterie d'automobile de 12 V elle tourne. )

Excitation Shunt

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

Les équations de la machine deviennent :

Excitation composée ou Compound

Dans le moteur compound une partie du stator est raccordé en série avec le rotor et une autre est de type parallèle ou shunt. Ce moteur réunit les avantages des deux types de moteur : le fort couple à basse vitesse du moteur série et l'absence d'emballement (survitesse) du moteur shunt.

Avantages et inconvénients

Collecteur.png

L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens servant à régler ou de faire fluctuer leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse, ou alors leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateur, piles, etc.

Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou «charbons» et le collecteur rotatif. Mais aussi le collecteur lui même comme indiqué plus haut et la complexité de sa réalisation. De plus il faut signaler que :

Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs quand le rotor est bobiné, c'est le phénomène de «défrettage», la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensemble de spires (le frettage).

Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs «disques» ou les moteurs «cloches», qui néanmoins possèdent toujours des balais.

Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé «moteur à courant continu sans balais», ou moteur sans balais.

Annexes

Bibliographie

Liens externes

Notes et références

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