Variation de vitesse des machines à courant continu :

1. Introduction

Depuis la venue de la technologie des semi-conducteurs, la variation de vitesse

électronique des moteurs électriques a pris le dessus sur les anciens systèmes tels que les

groupes Ward-Léonard.

Cette technologie, devenue fiable, part toujours du même principe : à partir d'une source, la

plupart du temps triphasée alternative, le variateur de vitesse va recréer en sortie :

Une tension triphasée variable en fréquence et en amplitude pour les moteurs à courant

alternatif.

Une tension continue variable en amplitude pour les moteurs à courant continu.

Dans l'univers industriel, le variateur électronique de vitesse côtoie d'autres procédés

issus des technologies hydraulique, mécanique, électromécanique. Le choix de la

technologie la plus appropriée est lié aux caractéristiques de la machine à équiper et

aux performances attendues.

Les variateurs de vitesses sont des systèmes qui convertissent les caractéristiques d'une

alimentation en fonction d'une consigne donnée, ils alimentent des moteurs électriques de

façon à pouvoir faire varier la vitesse de manière continue, de l’arrêt jusqu’à la vitesse

nominale. Ils ont plusieurs fonctions parmi lesquelles :

Le démarrage : le moteur passe de la vitesse nulle jusqu'à sa vitesse établie en un

temps prédéfini.

La variation de vitesse : modification de la fréquence de rotation du moteur par

accélération ou décélération en un temps donné.

La régulation : la fréquence de rotation du moteur est maintenue constante quelles

que soient les fluctuations de la charge (dans certaines limites).

Le freinage : le moteur passe d'une vitesse établie à une vitesse inférieure

(ralentissement) ou à la vitesse nulle (arrêt) avec maintien en position possible.

L'inversion du sens de rotation : permet de faire fonctionner le moteur dans les

deux sens de rotation.

La récupération d'énergie : permet lors d'un ralentissement ou d'un freinage des

systèmes de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique. Dans ce cas, le

moteur fonctionne en génératrice et l'énergie récupérée peut être soit dissipée dans des

résistances, soit utilisée pour recharger des batteries ou encore réinjectée dans le

réseau.

2. Les principes de la machine à courant continu :

La machine à courant continu est réversible, c'est-à-dire que la constitution d'une génératrice

(G) est identique à celle du moteur (M). Elle se compose de deux parties:

-une partie fixe (stator) appelée INDUCTEUR produit le flux magnétique nécessaire.

-une partie mobile (rotor) appelée INDUIT porte les conducteurs soumis au flux.

a. Constitution

Figure : Vue en coupe d’une machine à courant continu

Inducteur   :

Deux types d ’excitation sont utilisées, soit :

- à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l’excitation magnétique est

fixe.

- à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l’excitation rend possible le fonctionnement

en survitesse.

Induit bobiné   :

Il est constitué de tôles circulaires isolées et empilées sur l’arbre. Ces tôles sont en acier au

silicium et isolées par vernis.

Balais   :

Les balais assurent la liaison électrique (contact glissant) entre la partie fixe et la partie

tournante. Pour des raisons d’économie, ils doivent avoir une durée de vie aussi longue que

possible et assurer un bon contact électrique. Différentes technologies existent : les balais au

charbon dur, les graphitiques, les électro-graphitiques, et les métallo-graphitiques.

Collecteur   :

Le collecteur a pour fonction d’assurer la commutation du courant d’alimentation dans les

conducteurs de l’induit. Il est essentiellement constitué par une juxtaposition cylindrique

de lames de cuivre séparées par des lames isolantes. Chaque lame est reliée électriquement au

bobinage induit.

b.Symbole normalisé :

Moteur à inducteur bobiné Moteur à inducteur à aimants permanent

c.Schéma équivalent :

d.Equations de fonctionnement :

Les équations qui caractérisent la machine à courant continu sont :

e.Les quadrants de fonctionnement :

Quel que soit le moteur alternatif ou continu associé à un variateur, il peut fournir suivant

les cas, un couple moteur et un couple de freinage dans les deux sens possibles de marche.

Ces quatre types de fonctionnement ou de services peuvent être représentés par un système de

coordonnées; les plages ainsi délimitées appelées quadrant sont comptées en sens inverse des

aiguilles d'une montre et désignées par les chiffres romains I à IV.

D'après le sens de rotation de la machine, l'entraînement vers la droite est positif et le couple

agissant dans ce sens est lui aussi positif.

Figure : les 4 quadrants de fonctionnement

3. Principe de variation de vitesse des moteurs à courant continu :

D’après les équations ci-dessous, on déduit que pour faire varier la vitesse d’un moteur à

courant continu, on doit agir soit sur la tension d’alimentation soit sur le courant d’excitation :

3.1 Variateur de type hacheur   :

a)- Principe de fonctionnement

Un hacheur est un système électronique permettant de faire varier la vitesse d'un moteur à

courant continu en faisant varier la tension moyenne d'alimentation du moteur.

Exemple:

La valeur moyenne du signal: Umoy = αVcc

Avec α : rapport cyclique et α=Ton/Toff

Donc en réglant α=0,8 la tension moyenne sera de 80V.

Le moteur va réagir comme si il était alimenté sous une tension continue de 80V.

b)- Synoptique d'un variateur type hacheur:

Redresseur: permet de transformer une tension alternative en tension continue ondulée.

Filtrage: Elimine les phénomènes d'ondulation de la tension en sortie du redresseur.

Récupération: Système permettant de transformer l'énergie mécanique lors du freinage du

moteur en énergie calorifique dans le cas où l'on utilise une résistance de dissipation comme

système de freinage. Ces systèmes de récupération d'énergie assurent un freinage contrôlé du

moteur.

Hacheur: Permet de faire varier la tension moyenne du moteur donc la vitesse.

3.2 Variateur de type redresseur commandé :

a)- Principe de fonctionnement

Comme pour le hacheur, le redresseur permet de faire varier la tension moyenne du moteur.

On fait varier la tension du moteur en agissant sur l'angle d'amorçage des thyristors.

L'avantage du redresseur est qu'il transforme directement la tension alternative en tension

continue variable ce qui représente un cout moins important par rapport au hacheur.

Exemple   :

La valeur moyenne:

Pour un redressement mono commandé: Umoy=Vm(1+cosθ)/π

Pour redressement triphasé commandé: Umoy=3Um(cosθ)/π

N.B: Pour θ=π/2 Umoy=0

Si θ>π/2 Umoy<0

Si θ>π/2 Umoy<0

b)-Synoptique d'un variateur type redresseur commandé

Redresseur commandé: permet de transformer une tension alternative en tension continu

ondulé variable.