Freinage d'un moteur à courant continu

Pour arrêter un moteur à courant continu, on doit appuyer sur le bouton d'arrêt afin de couper l'alimentation. En coupant l'alimentation, la vitesse diminue graduellement sous l'effet des pertes par frottement.

Le moteur prend un certain temps pour s'arrêter.

Dans certaines applications, il faut freiner le moteur rapidement.

Parmi les méthodes de freinage, vous allez étudier :

- le freinage rhéostatique ;

- le freinage par contre courant ;

- le freinage par récupération d'énergie.

Le freinage rhéostatique consiste à ouvrir le circuit de l'induit et à le raccorder aux bornes d'une résistance afin que la puissance emmagasinée dans le moteur soit dissipée dans cette résistance.

Lorsqu'on coupe l'alimentation de l'induit, le champ étant toujours alimenté, le moteur devient alors une génératrice à excitation séparée qui fonctionne à vide.

En raccordant une résistance R aux bornes de l'induit, la tension induite produit un courant circulant dans le sens inverse dans cette résistance. Il en résulte un couple de freinage d'autant plus grand que ce courant est grand.

En pratique, on choisit la résistance R telle que le courant de freinage, soit environ deux fois le courant nominal. Le moteur fonctionne dans le quadrant 2 ou 4.

La tension induite diminue progressivement au fur et à mesure que le moteur ralentit. Le courant décroît également. Par conséquent, le couple de freinage diminue et s'annule lorsque le moteur cesse de tourner. Pour un freinage plus rapide, on diminue la résistance de freinage R.

La figure suivante vous montre un schéma du freinage rhéostatique.

En appuyant sur le bouton de marche S2, la bobine du contacteur KM1 enclenche ses contacts de puissance KM1 (1-2 et 3-4), ce qui alimente le moteur.

La résistance de freinage est mise hors-circuit par le contact O de KM1 (5-6) branché en série.

En appuyant sur le bouton d'arrêt, les contacts de puissance KM1 s'ouvrent et le contact O de KM1 se ferme. A ce moment, l'induit débite son courant dans la résistance de freinage R. Le moteur s'arrête lorsque le courant s'annule.

Ce genre de freinage est utilisé dans les montages qui nécessitent des freinages fréquents.

On utilise le freinage par contre-courant pour arrêter un moteur très rapidement. Cette méthode consiste à inverser brutalement le sens du courant dans l'induit.

En inversant le sens du courant de l'induit, la tension du circuit devient égale à la somme de la tension d'alimentation et de la tension induite. Le courant produit dans le sens inverse est très élevé. Pour limiter ce courant, on place une résistance de freinage R en série avec l'induit au moment où l'on inverse le sens du courant.

La valeur de cette résistance est calculée de façon à limiter le courant de freinage à environ deux fois le courant nominal du moteur.

Contrairement au freinage rhéostatique, un couple est développé même à l'arrêt. Dès que le moteur s'arrête, il faut ouvrir immédiatement le circuit afin de l'empêcher de redémarrer dans le sens inverse. Pour cela, on place un interrupteur centrifuge qui détecte le passage de la vitesse par zéro et ouvre le circuit.

La figure suivante vous montre le schéma du freinage par contre-courant.

Lorsqu'on appuie sur le bouton de marche S2, la bobine du contacteur KM1 est excitée, fermant ses contacts de puissance KM1 (1-2 et 3-4) pour l'induit et KM1 (5-6) pour l'inducteur. Le moteur démarre.

En appuyant sur le bouton d'arrêt S1, les contacts principaux de KM1 s'ouvrent et le contact KM1 (21-22) se ferme, ce qui alimente la bobine KM2. Les contacts de puissance KM2 (1-2 et 3-4) pour l'induit et KM2 (5-6) pour l'inducteur se ferment et le sens du courant dans l'induit est inversé. Le moteur ralentit, puis s'arrête pour essayer de redémarrer dans le sens inverse.

Au moment où la vitesse passe par zéro, l'interrupteur centrifuge (13-14) s'ouvre, ce qui coupe l'alimentation de la bobine KM2. Ses contacts de puissance s'ouvrent et le moteur demeure à l'arrêt.

Le freinage par contre-courant est plus efficace du fait qu'il arrête complètement le moteur à un instant où la vitesse par freinage rhéostatique vaut encore 25 % de sa valeur nominale.

Comme nous l'avons vu pour le freinage rhéostatique, pendant le freinage par récupération d'énergie, le moteur fonctionne en génératrice ; seulement au lieu de perdre l'énergie de freinage dans des résistances, on la récupère sur le réseau d'alimentation.

Cette forme de freinage convient bien à la traction électrique (train, trolley, métro…) où les masses à freiner ou à ralentir sont importantes.

Le point de fonctionnement du moteur doit pouvoir être placé dans n'importe lequel des quatre quadrants du plan couple-vitesse de rotation, car le moteur doit pouvoir tourner dans les deux sens (marche avant et marche arrière), avec un couple moteur ou de freinage.

Pour ce fonctionnement, il est nécessaire d'associer deux ponts complets monophasés ou triphasés tête bêche (figure suivante).

Montage des ponts pour un fonctionnement en moteur et freinage dans les deux sens de rotation :

Chacun des deux ponts 1 ou 2 peut jouer le rôle de redresseur ou d'onduleur assisté. Un redresseur fonctionne en onduleur assisté lorsque l'énergie passe du continu vers l'alternatif. C'est nécessairement un pont tout thyristor et pour des angles d'allumage > 90°. Exemple :

- Avec le pont 1 on peut faire tourner le moteur dans un sens. Le freinage en récupération sera assuré par le pont 2 lorsque la machine fonctionne en génératrice.

- Pour faire tourner le moteur dans l'autre sens, on commandera le pont 2 et pour assurer son freinage le pont 1. On peut donc fonctionner dans les quatre quadrants.

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

- Le freinage rhéostatique consiste à dissiper l'énergie de freinage dans une résistance. Le moteur fonctionne alors en génératrice.

- Le couple de freinage est d'autant plus grand que le courant est grand et donc que la résistance est faible.

- Le freinage par contre courant consiste à inverser brusquement le sens du courant dans l'induit.

- Il faut impérativement ouvrir le circuit dès que le moteur s'arrête pour l'empêcher de repartir dans l'autre sens. On utilise pour cela un interrupteur centrifuge.

- Le freinage par récupération d'énergie consiste à renvoyer sur le réseau d'alimentation l'énergie de freinage. Pour cela, la commande du moteur doit être faite par un pont tout thyristor monophasé ou triphasé simple ou double (tête-bêche) selon l'application.