Résumé général sur les machines à courant continu

Cette partie vous présente le résumé sur les machines à courant continu.

Si certaines notions vous paraissent obscures, n'hésitez pas à reprendre la lecture de l'étude concernée.

Les génératrices à courant continu :

• Selon le principe de l'induction électromagnétique, lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique, une tension y est induite. Si cette tension alimente un circuit, un courant y sera induit.

• La tension induite est alternative. En connectant les extrémités de la bobine à un collecteur formé de deux demi-bagues isolées l'une de l'autre, on obtient une tension continue aux bornes des deux balais fixés sur le collecteur.

• La partie fixe d'une machine à courant continu, appelée stator, joue le rôle d'inducteur ou champ et comprend les pôles principaux et les pôles auxiliaires.

• La partie mobile de la machine, appelée rotor ou aussi induit, comprend l'induit, le collecteur et les balais.

• Une génératrice à courant continu est une machine qui transforme l'énergie mécanique qui lui est appliquée en énergie électrique qui est fournie à un circuit extérieur.

• Une génératrice à excitation séparée est caractérisée par son inducteur alimenté par une source indépendante de la génératrice. La tension de l'induit est différente de celle de l'inducteur. Ainsi, ce type de génératrice est utilisé lorsqu'on veut régler la tension de l'induit dans de larges limites.

• Une génératrice à excitation en dérivation, ou génératrice shunt, est une machine très répandue, car elle n'exige pas une source indépendante. Elle est donc auto-excitée. L'induit et l'inducteur sont connectés en parallèle.

• Dans une génératrice à excitation série, l'inducteur est en série avec l'induit et ces derniers sont parcourus par le même courant.

• Une génératrice à excitation composée, ou génératrice compound, est une combinaison d'inducteurs shunt et série.

- Lorsque l'inducteur shunt n'est connecté en parallèle qu'avec l'induit, la machine est appelée génératrice composée en courte dérivation.

- Lorsque l'inducteur shunt est en parallèle avec l'induit et l'inducteur série, la machine est appelée génératrice composée en longue dérivation.

- Si les inducteurs sont connectés de façon que les flux s'ajoutent, la machine est dite à flux additif. Dans le cas où les flux s'opposent, la machine est dite à flux soustractif.

Les moteurs à courant continu :

Un moteur à courant continu est une machine qui transforme l'énergie électrique qui lui est appliquée en une énergie mécanique entraînant une charge mécanique.

• Le couple développé par un moteur à courant continu est proportionnel au courant d'induit et au flux magnétique.

• La vitesse de rotation est proportionnelle à la tension d'alimentation et inversement proportionnelle au flux magnétique.

• Le rendement est le rapport entre la puissance développée par le moteur  ou puissance utile (puissance mécanique) et celle qui lui est appliquée ou puissance absorbée (puissance électrique).

 Comme dans le cas des génératrices, un moteur à courant continu peut être :

- à excitation indépendante, caractérisé par sa vitesse qui diminue légèrement lorsque le couple augmente. Si le circuit d'excitation est coupé, le moteur s'emballe.

- à excitation en dérivation dont l'avantage réside dans le fait que ce moteur n'exige pas une alimentation séparée pour son circuit d'excitation. Sa caractéristique mécanique (la vitesse en fonction du couple) est sensiblement la même que celle du moteur à excitation indépendante.

- à excitation série, caractérisé par un important couple au démarrage. On l'utilise pour faire démarrer de fortes charges dont l'inertie est élevée. Le moteur s'emballe si le flux s'annule ou si on le fait démarrer à vide.

- à excitation composée dont l'avantage est que ce moteur ne s'emballe pas à vide. Le flux dans la machine peut être de type additif ou soustractif.

- à aimants permanents utilisant des aimants permanents à la place d'enroulements inducteurs. Ces aimants assurent une intensité de champ constante. Ses caractéristiques sont similaires à celles du moteur à excitation en dérivation.

La commande des moteurs à courant continu :

• Les éléments de commande servent d'interface entre l'humain et la machine. Parmi eux, on retrouve les suivants :

- Sectionneur : dispositif qui assure la séparation entre le circuit du moteur et la source d'alimentation.

- Boutons-poussoirs : contacts actionnés par la pression du doigt qui n'ont qu'une seule position stable, leur position de repos. Un bouton-poussoir de type F sert à commander la marche du moteur, tandis que celui de type O sert à commander l'arrêt du moteur.

- Commutateurs : interrupteurs à plusieurs positions stables.

- Relais : dispositifs à contacts actionnés simultanément par une bobine. On les utilise généralement dans les circuits de faible puissance ou comme éléments de mémoire dans les circuits de commande. Les contacts sont de types F et O.

- Relais temporisés : relais utilisés pour créer des périodes de temporisation d'une durée réglable. On en retrouve deux types : les relais temporisés au travail dont la temporisation commence au moment où la bobine du relais est alimentée, et les relais temporisés au repos dont la temporisation commence au moment où l'alimentation de la bobine est coupée.

- Contacteurs : relais de puissance destinés à commuter les charges d'un circuit de puissance. La bobine et le contact d'auto-alimentation se trouvent dans le circuit de commande, tandis que les contacts principaux sont dans le circuit de puissance.

• Les éléments de protection sont des dispositifs qui servent à protéger le moteur et la ligne. On retrouve les suivants :

- Fusible : dispositif capable d'interrompre le circuit dans lequel il est branché lorsque le courant qui y circule devient trop élevé (court-circuit).

- Disjoncteur : dispositif qui joue le rôle de sectionneur lorsqu'on le manipule manuellement pour ouvrir ou fermer un circuit. Comme élément de protection, il se déclenche automatiquement, ouvrant ainsi le circuit lorsque le courant dépasse une limite prédéterminée. Contrairement au fusible, il est réutilisable et peut être réenclenché manuellement.

- Relais thermique : dispositif qui se déclenche lorsque la chaleur créée par le passage d'un courant dépasse une limite prédéterminée à la suite d'une surcharge.

• La commande par poste marche-arrêt permet de faire tourner le moteur dans un seul sens en appuyant sur le bouton-poussoir de marche et de l'arrêter en appuyant sur le bouton-poussoir d'arrêt.

• La commande par poste avant-arrière-arrêt permet de faire tourner le moteur dans les deux sens de rotation. Le poste de commande est composé de deux boutons-poussoir commandant les marches avant et arrière et d'un bouton-poussoir commandant l'arrêt.

Le démarrage des moteurs à courant continu :

• Le démarrage direct consiste à appliquer toute la tension d'alimentation au moteur. Ce type de démarrage est utilisé pour les moteurs de faible puissance.

• Le démarrage direct est réalisé par l'intermédiaire de démarreurs manuels ou automatiques.

• Le démarrage par élimination de résistances consiste à appliquer au moteur une tension réduite par des résistances au démarrage. Dès que la vitesse atteint une certaine valeur, toute la tension d'alimentation est appliquée au moteur.

• Les types de démarreur par élimination de résistances sont les suivants :

- Démarreurs manuels, lesquels permettent d'insérer une série de résistances dans le circuit de l'induit au démarrage. En déplaçant la manette progressivement, on court-circuite toutes les résistances du démarreur. Ce démarreur comporte une bobine permettant de maintenir la manette sur le dernier plot des résistances. Elle sert aussi à protéger le circuit de l'inducteur. Si le circuit est coupé, la bobine perd son aimantation et la manette revient à sa position initiale coupant l'alimentation du moteur.

- Démarreurs automatiques, lesquels consistent à intercaler des résistances en série avec l'induit pendant la période de démarrage. A mesure que la vitesse augmente, on court-circuite automatiquement ces résistances et la pleine tension sera appliquée au moteur.

• Pour contrôler la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu, on utilise des contrôleurs de vitesse à base de dispositifs à semiconducteurs. Parmi ces contrôleurs, on distingue :

- les contrôleurs utilisant des ponts monophasés mixtes, à base de diodes et de thyristors ou tout thyristor pour les moteurs de faible puissance ;

- les contrôleurs utilisant des ponts triphasés à thyristors pour les moteurs puissants.

• Dans la plupart des contrôleurs électroniques de vitesse, on trouve des boucles de rétroaction pour régulariser la vitesse de rotation en cas de perturbations, on parle alors de régulateurs.

• Pour freiner un moteur à courant continu, on a recours le plus souvent aux modes de freinage suivants :

- le freinage rhéostatique, lequel consiste à dissiper l'énergie emmagasinée à travers une résistance après ouverture du circuit d'induit ;

- le freinage par contre courant, lequel consiste à inverser brutalement le sens du courant dans l'induit en empêchant le moteur de redémarrer dans le sens inverse.

- le freinage par récupération d'énergie, lequel consiste à renvoyer au réseau d'alimentation l'énergie du freinage.