Machines courant continu E MATAGNE ernest matagneuclouvain be

Machines à courant continu E. MATAGNE ernest. matagne@uclouvain. be ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Introduction ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Il est pratique de disposer de machines pouvant fonctionner en courant continu (DC) car cela permet d’effectuer plus facilement des connexions 3 l avec d’autres machines du même type sans s’occuper de formes d’onde l avec des dispositifs naturellement DC, comme les piles, les piles à combustible, les bacs à électrolyse, les accumulateurs, les modules photovoltaïques, les dispositifs électroniques … ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Il existe bien quelques dispositifs « spontanément » DC. Roue de Barlow (1822): Selon les historiens, ce n’est pas le premier moteur électrique puisqu’il n’y a pas de poulie ! 4 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

On calcule la force sur un conducteur par la règle Bli. Donc, dans ce cas, Note : même si les filets de courants ne sont pas radiaux, le même résultat reste correct pourvu que le champ B soit uniforme. 5 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Le dispositif est réversible Historiquement, son utilisation en génératrice a été découverte indépendamment. Disque de Faraday (1831) 6 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

La force électromotrice comporte, outre la chute ohmique Ri, un terme de glissement. Pour un conducteur se déplaçant dans un champ constant, on peut appliquer la règle Blv : (même si le circuit se subdivise en filets qui ne sont pas radiaux, le résultat reste le même pourvu que le champ B soit uniforme. ) On obtient 7 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En régime, on a Donc Le coefficient de couplage électromécanique est le même dans les deux équations, ce qui est normal pour arriver à un bilan d’énergie correct. 8 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En posant (facteur de couple) on obtient Si on exprime la vitesse en tours par minutes (N), on peut écrire où 9 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Nous avons ajouté un indice « a » pour le cas où le dispositif comporterait, à la place d’un aimant permanent, un inducteur « f » . Comportement simple, facile à maîtriser. Formules à retenir ! Malheureusement, les machines dérivées de ces dispositifs ne peuvent fonctionner qu’avec de faibles tensions car le conducteur actif ne traverse qu’une seule fois le champ magnétique. Leur avantage est une résistance faible, mais il faut pour en profiter réaliser les contacts glissants d’une façon très soignée (bain de mercure sur toute la périphérie …). Elles ne sont utilisées donc utilisées que très rarement. On peut cependant réaliser des machines présentant le même comportement simple, mais avec plus de souplesse dans le choix des niveaux de tension et de courant. Nous allons voir comment. 10 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

On préfère utiliser des circuits ordinaires (filiformes) car on peut alors former des enroulements composés d’un grand nombre de spires, donc obtenir des tensions plus élevées. Malheureusement, les circuits filiformes ne permettent pas d’obtenir des tensions induites dc. On a en effet Or, le terme de tension induite ne peut avoir de composante continue que si y tend vers l’infini, ce qui est physiquement impossible. 11 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Pour pouvoir utiliser des circuits filiformes, dont les grandeurs sont alternatives, et obtenir des grandeurs continues aux bornes de la machine, il faut donc convertir les grandeurs de AC en DC. La conversion AC/DC peut se faire de façon mécanique ou électronique. Différents systèmes mécaniques ont été essayés historiquement. La structure qui s’est imposée est celle où l’enroulement AC (induit) se trouve au stator, le stator servant à obtenir un champ immobile : c’est donc une structure inversée par rapport à l’alternateur normal. Le fait de mettre au rotor le circuit qui intervient dans la conversion d’énergie ne se justifie que parce que cela permet de simplifier la structure du convertisseur AC/DC qui y est associé. 12 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Le collecteur est un dispositif qui effectue automatiquement le changement de sens des connexions au moment favorable. Sur la figure ci-contre, le flux « passe mal » su stator au rotor. De plus, avoir un collecteur à deux lames pose beaucoup de problèmes : au moment de la commutation, on a un instant de circuit ouvert (étincelles !) ou de court-circuit (gênant si machine connectée à une source de tension). Dans le cas d’un moteur, il existe des positions pour lesquelles on n’a pas de démarrage. 13 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Améliorations : Géométrie des pôles : La navette siemens Inconvénient : fort couple réluctant Régularité de la tension et du couple : Avec trois lames et trois bobines, c’est déjà mieux. Cependant, la tension induite est encore fort irrégulière, de même que le couple. On est donc allé plus loin dans la multiplication du nombre de bobines. Le rotor devient alors magnétiquement lisse (nombreuses petites encoches). 14 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Le stator sert à obtenir le champ magnétique. On l’appelle l’inducteur. Il peut comporter des aimants ou un bobinage parcouru par un courant continu. En pratique, l’inducteur a une forme compacte. Mis à part sa situation au stator, il est comparable à l’inducteur d’une machine synchrone à aimants ou à pôles saillants. Le rotor, appelé « induit » , est lisse comme l’induit des machines AC (sinon, fort couple réluctant). Le rotor comporte un grand nombre de circuits élémentaires nommés « sections » . 15 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Quelle est la forme idéale pour les pôles, pour le bobinage de l’induit ? Pour répondre à cette question, considérons une section placée dans deux petites encoches. On souhaite avoir la tension moyenne la plus élevée possible. Or Le signe (sens du circuit) doit être changé par le collecteur quand cette tension s’annule, donc quand le flux y est maximum. 16 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Soit, avec la symétrie habituelle Le but est donc d’obtenir le flux le plus élevé possible. On choisit un entrefer d’épaisseur minimum sur toute la surface des pôles (contrairement à ce que l’on fait dans le cas des machines synchrones, car il n’y a plus de raison d’obtenir un champ sinusoïdal). En l’absence de courant induit, la forme du champ d’entrefer est donc celle représentée ci-contre. 17 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Exemple de calcul approché du flux (machine à 1 paire de pôles) D’où le flux par pôle Sur une section de n 1 spires , on a Sur l’inducteur, on a On en déduit 18 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Compte tenu du « trou » entre les pôles, il n’est pas nécessaire que les conducteurs aller et retour soient décalés d’un pas polaire complet ( « pas diamétral » ). On peut avoir un « pas raccourci » . L’allure du flux encerclé est représentée ci-contre dans le cas d’une machine à pas diamétral (les angles sont écornés dans le cas d’une machine à pas raccourci). 19 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En réalité, il y a un grand nombre sections identiques, mais décalées l’une par rapport à l’autre, de sorte que toute la surface du rotor est couverte d’encoches contenant les conducteurs de ces sections. 20 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Les sections ne sont pas connectées en étoile (il faudrait des balais très large pour couvrir toutes lames), mais en polygone. Cette figure montre comment les sections sont disposées dans le cas d’une machine à une paire de pôles et à pas diamétral : chaque section est connectée entre deux lames de collecteur voisines. 21 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

On peut donc représenter les connexions entre les sections comme indiqué sur la figure de droite (le mode de connexion en polygone y apparaît bien). L’induit est formé dans le cas considéré de deux branchements comportant chacun une moitié des sections. On peut considérer l’ensemble des sections de l’induit comme un seul circuit, le « circuit d’induit » , dont la position est liée à celle des balais. La figure de droite illustre cette idée. Les grandeurs relatives au « circuit d’induit » sont repérées par la lettre « a » . Note : l’induit est en quadrature magnétique avec l’inducteur. Le couplage entre les deux circuits est nul ! Ce fait est d’ailleurs utilisé en pratique pour positionner les balais. 22 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

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Le problème de la commutation ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Dans les sections en commutation, le courant doit changer de signe en un temps court. En remplaçant les balais ponctuels par des balais larges couvrant plusieurs lames, Zénobe Gramme a laissé au courant le temps de changer de sens. Idéalement, l’évolution du courant devrait être linéaire pour garder une densité de courant constante sous les balais. 26 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En pratique, il n’en est pas ainsi à cause de l’inductance des sections en commutation (qui occasionne un retard dans l’évolution du courant) Sur la figure, nb est le nombre de branchements (2 sur les figures précédentes) Pour obtenir une commutation linéaire, la pente du courant doit être proportionnelle à la vitesse de rotation (car le temps disponible en dépend) et à la valeur du courant d’induit ia. Solution bricolée : décaler les balais pour que les sections en commutation reçoivent des pôles un flux variant dans le temps. La force électromotrice induite dans ces sections est bien proportionnelle à la vitesse. Hélas, elle ne dépend pas du courant d’induit. Le décalage des balais devrait donc dépendre du courant, de sorte que l’on doit en pratique se contenter d’un compromis. 27 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Meilleure solution : munir le stator de pôles de commutation, situés entre les pôles principaux, et munis d’un enroulement parcouru par le même courant que l’induit. Ces pôles doivent produire un champ proportionnel au courant (donc entrefer plus grand sous ces pôles pour réduire la saturation magnétique). Grâce à ce champ, les spires en commutation reçoivent un flux variable, ce qui y induit la force électromotrice nécessaire au retournement du courant. On arrive ainsi à obtenir une bonne commutation à tous les régimes. 28 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Établissement des équations ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En régime, la tension d’induit est égale à la tension moyenne d’une section, multipliée par le nombre n 2 de section par branchement. 30 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

où k est une constante qui ne dépend que de la géométrie de la machine. k. F est essentiellement une fonction de if. Il dépend aussi du courant d’induit ia à cause de la saturation magnétique : cet effet s’appelle la « réaction d’induit » . 31 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

La relation entre le flux et le courant d’inducteur a l’allure d’une courbe d’hystérésis. En fait, ce que l’on appelle en technique la caractéristique magnétique est obtenue en portant en ordonnée le flux multiplié par k et par la vitesse de rotation nominale (en rad/s). On obtient ainsi en ordonnée la tension à vide (en l’absence de courant d’induit). On remarque la présence d’un flux rémanent. 32 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Nous ne cherons pas à établir directement l’expression du couple. La conservation de l’énergie implique l’on ait Cem = k F ia 33 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Les équations dynamiques sont Avec ya = ya (ia, ) ou ya (ia , if ) yf = yf (if, ) ou yf (ia , if ) Soit, en régime permanent 34 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

deviennent dans le cas linéaire (sans saturation) où r est la position du circuit d’induit (c’est-à-dire celle des balais) 35 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Le problème de la réaction d’induit ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Le courant ia modifie la répartition de champ magnétique dans la machine. C’est ce que l’on appelle la réaction d’induit. Les conducteurs de l’induit situés sous un même pôle sont tous parcours par un courant allant dans le même sens. Ils tendent donc à faire apparaître un champ de la forme représentée ci-contre. Le champ principal traversant le pôle est donc renforcé d’un côté et affaibli de l’autre. 37 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Si les balais sont bien placés, on s’attend à ce que la réaction d’induit n’ait pas d’effet sur le flux principal, donc sur la tension induite, puisque les enroulements d’induit et d’inducteur sont alors en quadrature. Ce serait effectivement le cas en l’absence de saturation : le courant d’induit produirait un champ d’entrefer ayant la forme ci-dessous. 38 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Ce champ s’additionne au champ associé à l’inducteur d’un côté du pôle, et s’en soustrait de l’autre côté. La saturation réduit le champ à l’endroit où il est le plus fort, de sorte que le flux total est réduit. 39 Quel que soit son signe, le courant d’induit occasionne une diminution du flux principal. ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

L’effet de la réaction d’induit sur le flux principal est en première approximation quadratique en ia et linéaire en if. 40 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En général, on veut combattre ce phénomène. Cela se fait habituellement en limitant la dimension des cornes polaires. 41 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Pour de très grosses machines, on utilise parfois un enroulement supplémentaire, l’enroulement de compensation (à ne pas confondre avec de circuit des pôles de commutation). L’enroulement de compensation est disposé dans de petites encoches creusées à la surface des pôles. On peut ainsi créer une « densité de courant » exactement opposée à celle de l’induit. L’enroulement de compensation est mis en série avec l’induit. Sa résistance s’ajoute donc à Ra. Nous verrons plus loin une troisième méthode, celle de l’enroulement compound. 42 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

La résistance d’induit ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

La résistance d’induit n’est pas linéaire, à cause du contact entre balais et lames de collecteur. En fait, on a intérêt à considérer Ra ia comme un tout fonction de ia. On ne peut pas mesurer Ra avec un courant faible (ohmmètre, pont de mesure DC) car on trouverait ainsi une valeur beaucoup trop grande (la pente à l’origine). Si on ne dispose que de dispositifs à faible courant pour mesure Ra , il vaut mieux mesurer directement la résistance entre les lames de collecteur qui font face aux balais, et ajouter au résultat la résistance des éléments en série avec l’induit, que l’on mesure alors séparément, ainsi que la contribution des contacts lames-balais, que l’on estime grossièrement dans ce cas. 44 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En première approximation, on peut distinguer dans la fonction (Ra ia) un terme constant (dont le signe dépend de celui de ia) et un terme linéaire : (Ra ia ) = useuil sgn(ia) + Ra diff ia 45 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Comportement des machines DC ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Considérons d’abord le cas où l’induit et l’inducteur sont alimentés par des circuits distincts. donc, éliminant ia 47 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

On peut régler la vitesse par le courant d’excitation. En augmentant le courant d’excitation, on diminue la vitesse. Il n’est pas possible de descendre jusqu’à une vitesse nulle. Ce type de commande n’est donc possible que pour un petit ajustement de la vitesse. On surdimensionne parfois l’inducteur pour avoir une plage de réglage plus grande. 48 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Le montage présenté ne peut pas être utilisé si on coupe l’alimentation de l’inducteur en ouvrant le circuit, car l’inductance de l’inducteur occasionne alors une surtension dangereuse. A noter que la vitesse augmente lorsque le courant d’excitation diminue. Il y a donc un risque d’emballement en cas de « panne » du circuit d’inducteur lors d’un fonctionnement à faible charge (si la machine est chargée, il y a moins de danger car le surcourant d’induit pourra déclencher une protection). 49 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

On peut remplacer la résistance de réglage par un dispositif électronique de puissance : on économise un peu d’énergie et le réglage peut être automatisé. On peut aussi combiner ce réglage avec une résistance fixe qui garantit que le courant if restera toujours suffisant pour éviter l’emballement. Un mode de commande plus efficace consiste à effectuer la commande par la tension d’induit. On a en effet Raia étant normalement petit, la vitesse est à peu près proportionnelle à la tension ua. Cette méthode est plus coûteuse puisque la puissance à commander est beaucoup plus grande (c’est toute la puissance du moteur). On utilise donc normalement pas de résistances pour réaliser cette commande, mais un dispositif électronique de puissance. 50 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Si la tension d’induit n’est pas commandée en fonctionnement normal, on utilise néanmoins une résistance pour limiter le courant de démarrage, qui vaudrait sinon U/Ra au démarrage, soit beaucoup plus que le courant nominal puisque Ra. Ia est normalement petit. L’effet de Rd est d’augmenter la valeur de Ra à mettre dans les équations 51 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

On passe d’un fonctionnement en moteur à un fonctionnement en génératrice en changeant le signe du couple 52 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Si on réalise une commande par la tension d’induit, on peut changer le sens de rotation de façon progressive, donc utiliser les 4 quadrants du diagramme Cem-wm. 53 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Dans beaucoup de cas, l’inducteur est prévu pour pouvoir être connecté en série avec l’induit. On parle alors de moteur DC série (le fonctionnement en dynamo est impossible si la charge se comporte comme une source de tension car il est alors électriquement instable). On obtient les équations de cette machine en ajoutant à Ra la résistance de l’inducteur série, et en identifiant ia et if. 54 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

L’avantage de ce moteur est que, quand le couple demandé est élevé, le courant d’excitation croît automatiquement. La caractéristique couple-vitesse est la représentée ci-contre. L’inconvénient est un risque d’emballement en cas de disparition de la charge mécanique. Il est utilisé en traction sur des véhicules sans embrayage ! 55 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En l’absence de convertisseur électronique, le démarrage d’un moteur série peut se faire en utilisant une résistance de démarrage. 56 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

D’autres machines sont concues de façon à ce que l’inducteur puisse être connecté en parallèle sur l’induit. On parle alors de machine DC shunt. Dans le cas d’un moteur shunt alimenté par une source de tension, l’étude faite pour la machine à excitation indépendante peut être reprise telle quelle. La dynamo shunt devrait faire l’objet d’une étude, mais elle n’est pratiquement plus utilisée. Alors… 57 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Certaines machines comportent, outre l’inducteur principal de type shunt ou indépendant, un inducteur auxiliaire de type série. On parle de machine compound quand l’inducteur auxiliaire renforce le flux (utile pour compenser la chute de tension ohmique d’une dynamo en charge ou pour compenser la réaction d’induit). On parle de machine anticompount quand l’inducteur auxiliaire réduit le flux (utile pour compenser la chute ohmique d’un moteur en charge). 58 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Les différentes connexions du circuit d’excitation sont donc les suivantes Indépendante Shunt 59 Série Compound (concordant ou anticompound) ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Normalisation des sens de référence La vitesse de rotation est positive si elle est antihorlogique lorsque l’on regarde la machine par l’extrémité où se trouve le collecteur. Les bornes de l’induit sont repérées par les lettres Les bornes d’un inducteur shunt …… A - B C - D Les bornes d’un inducteur série ou compound …. E - F Les bornes du circuit de commutation G - H Les bornes d’un inducteur à excitation indépendante … I - J Le courant est positif quand il entre par la première des lettres de la paire (A, C, E, G ou I). La tension est positive si le potentiel de la première lettre (A, C, E, G ou I) est supérieur à celui de la seconde (B, D, F, H ou J). 60 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Moteur série monophasé (dit « moteur universel » ) ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Le moteur DC a l’avantage de la simplicité. En outre, le moteur DC série a une caractéristique couple-vitesse intéressante pour certaines applications (couple élevé à faible vitesse, décroissant progressivement à vitesse croissante). Au contraire, les machines AC classiques nécessitent une alimentation triphasée et fonctionnent à vitesse constante (machine synchrone) ou quasi-constante (machine asynchrone). Il est donc fréquent de souhaiter utiliser un moteur DC même l’alimentation dont on dispose est AC. On pourrait dans ce cas utiliser un redresseur, mais il existe une autre possibilité, encore très utilisée aux petites puissances : le moteur série monophasé. 62 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Principe Dans une machine DC, si on change à la fois le sens du courant d’induit et du courant d’inducteur, le couple garde le même signe, puisque l’on change alors à la fois le signe du flux et du courant d’induit, et que le couple dépend du produit de ces grandeurs. On pourrait donc penser qu’il est possible d’alimenter un moteur shunt ou un moteur série en courant alternatif. En fait, ce n’est pas indiqué pour un moteur shunt parce que le courant d’inducteur et le courant d’induit évolueraient selon des rythmes différents : le courant d’inducteur serait à peu près en quadrature avec la tension, le courant d’induit serait très déformé. On aurait un couple très faible malgré des pertes élevées. Le moteur série ne présente pas cette difficulté puisque les courants d’induit et d’inducteur sont identiques. Son fonctionnement en AC n’est cependant pas sans problèmes. 63 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Problèmes du moteur série monophasé • Le champ étant alternatif, il y a apparition de pertes magnétiques (par hystérésis et par courants de Foucault). L’inducteur doit donc impérativement être feuilleté. Le rendement est affecté, puisque ce moteur a des pertes magnétiques aussi bien à l’inducteur qu’à l’induit. • Puisque les flux d’inducteur et d’induit sont alternatifs, il apparaît dans ces enroulements des chutes de tension inductives. Le facteur de puissance (cos j ) du moteur risque donc d’en être affecté. Par contre, la réduction du courant de démarrage qui résulte de ce phénomène peut être intéressante. • Les conditions de commutation du moteur sont fortement modifiées : on peut donc s’attendre à des étincelles au collecteur, donc à des parasites HF et à une usure plus rapide des balais. Les mesures prises pour pallier ces problèmes n’empêchent pas le moteur de fonctionner en courant continu. Pour cette raison, le moteur série monophasé est souvent appelé « moteur universel » . 64 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Circuit équivalent du moteur La tension du moteur universel se compose de plusieurs termes. Comme dans le cas du moteur DC, on a • la force contre-électromotrice E = k. Fwm = K F N où k et K = k p / 30 dépendent du nombre de spires et de la géométrie de l’enroulement d’induit, la vitesse de rotation N étant en tours / minute et wm en rad/s. • les chutes de tension ohmiques Rs i et Ra i On a en outre • les f. é. m. dues à la variation des flux d’inducteur (désigné ici par la lettre s) principal Es = - ns d. F / dt et de fuite Esf = - d. Yf / dt • les f. é. m. dues à la variation des flux d’induit principal Ea = - d. Ya / dt et de fuite Eaf = - d. Yaf / dt 65 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En supposant que tous ces flux sont proportionnels au courant i , on peut prendre leur effet en compte à l’aide d’inductances Ls , Lsf , Laf. Dans ce cas, la grandeur E = k F N est, elle aussi, proportionnelle au courant (à vitesse fixée, elle se comporte comme une résistance !). Donc, tous les termes étant linéaires, une tension d’alimentation sinusoïdale entraînera l’apparition d’un courant sinusoïdal. On peut donc passer aux phaseurs, et considérer au lieu des résistances des réactances Xs , Xsf , Xaf. 66 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Diagramme vectoriel et caractéristiques Le diagramme phasoriel résulte immédiatement du circuit équivalent. On a Les chutes de tension résistives et inductives sont proportionnelles au courant. E est proportionnelle à la fois au courant et à la vitesse. 67 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Caractéristiques Négligeons les chutes de tension Ra i et Rs i et posons F = c i On obtient aisément C = k F i = k c i 2 et E = K F N = K c N i Donc <C> = k c I 2 par la suite, on n’écrira plus le symbole < > L’expression du couple reste valable même si le courant n’est pas sinusoïdal : c’est la valeur efficace du courant qui est importante. 68 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

On obtient aisément (voir équations ou circuit équivalent) où X = Xs + Xsf + Xaf On peut écrire I en fonction de la tension U et de la vitesse N : Sur la figure, on a porté le cos j et la caractéristique du même moteur en DC. Les cos j est mauvais aux vitesses moyennes et faibles. 69 La réactance X permet de limiter le courant à faible vitesse, mais elle détériore le cos j. ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

En portant l’expression de I dans celle du couple, on obtient aussi 70 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Commutation Le problème de la commutation est plus difficile que dans les machines DC. Dans une machine DC, la section en commutation est soumise à une f. é. m. qui ne dépend que du champ à l’endroit où se trouvent ses conducteurs. Cette f. é. m. est faible car les conducteurs de la section en commutation se trouvent entre deux pôles. Dans le cas du « moteur universel » , la section en commutation est le siège d’une f. é. m. due au fait que le flux encerclé (tout le flux F d’un pôle) est alternatif (f. é. m. induite par effet « transformateur » ). En l’absence de mesures spéciales, le rendement souffre de la mauvaise commutation. Hélas, la plupart des mesures que l’on peut prendre pour améliorer la commutation ont un effet défavorable sur les pertes ohmiques de l’induit, comme nous le verrons plus loin. 71 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Commande de vitesse Le fonctionnement du moteur universel est peu affecté par une distorsion de la forme d’onde : c’est essentiellement la valeur efficace de sa tension d’alimentation qui détermine son comportement (pour rappel, le couple dépend du carré du courant efficace). Il peut donc être commandé d’une façon très économique à l’aide d’un triac grâce auquel on n’applique au moteur qu’une fraction de chaque alternance de la tension. Ce procédé est utilisé notamment dans certains lave-linge (il permet d’obtenir plusieurs vitesses de lavage et d’essorage). 72 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Note sur les applications de puissance Le « moteur universel » n’est plus guère utilisé que pour de petites puissance (électroménager…). Il a pourtant par le passé été utilisé en traction. Cela implique une amélioration de la commutation. Pour cela, il faut munir la machine de pôles de commutation. Le rôle de ces pôles est double. Non seulement le champ qu’ils produisent doit faire apparaître dans la section en commutation une f. é. m. qui va y inverser le sens du courant (comme dans une machine DC classique), mais cette f. é. m. doit aussi compenser la f. é. m. induite dans la section en commutation par effet de transformateur. Pour cela, leur enroulement doit être parcouru par un courant déphasé par rapport au courant d’induit. On peut y arriver en shuntant les pôles de commutation par une résistance ou un condensateur, la compensation est alors bonne pour toutes les valeurs du courant, mais, contrairement au cas des moteurs DC, elle n’est bonne qu’à une seule vitesse ! On doit donc prendre d’autres mesures (voir dia suivante) 73 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Un autre moyen est de réduire le flux F de l’inducteur en diminuant son nombre de spires … et en augmentant pour garder le même couple le nombre de spires de l’induit. La machine est alors sujette à la réaction d’induit, ce que l’on doit pallier par un enroulement de compensation. Pour que l’on améliore la commutation par ce procédé, il faut que l’augmentation du nombre de spires de l’induit se fasse en gardant le même nombre de spires par section, donc en augmentant le nombre de sections. L’induit obtenu est plus compliqué, a plus de conducteur passifs, est en série avec un enroulement de compensation et donc a des pertes ohmiques plus élevées. L’utilisation d’un moteur universel à puissance élevée implique aussi une amélioration du cos j. La réduction du nombre de spires de l’inducteur et l’ajout d’un circuit de compensation ont pour effet de réduire respectivement l’inductance de l’inducteur et celle de l’induit. La réduction des inductances a pour conséquence l’amélioration du cos j , mais le courant de démarrage est plus grand. Il faut limiter le courant de démarrage (ce qui est de toute façon nécessaire en traction pour éviter les à-coup de couple) en réduisant la tension, ce qui peut se faire par un transformateur puisque l’on est en AC. 74 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Ainsi, le rendement du « moteur universel » à 50 Hz est toujours médiocre. • Il a des pertes magnétiques aussi bien à l’induit qu’à l’inducteur, • Ses pertes d’induit sont plus élevées soit à cause de la mauvaise commutation, soit parce que les mesures prises pour améliorer la commutation augmentent les pertes Joule. Ces problèmes peuvent être atténués en utilisant une fréquence plus faible. C’est pour cette raison que le réseau de chemin de fer allemand utilise une fréquence f = 50 Hz / 3 = 16. 666 Hz. Malheureusement, quand la fréquence est faible, la taille des transformateurs et d’autres dispositifs augmente. 75 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain

Conclusion L’utilisation en AC de moteurs universels reste intéressante pour de petites puissances. Pour les applications de puissance, il est handicapé par ses difficultés de commutation et son rendement médiocre, des inconvénients que l’on ne peut atténuer qu’au prix de l’utilisation d’un réseau de transport d’énergie à fréquence plus faible. L’électronique de puissance a fait apparaître des solutions plus intéressantes, et donc conduit à l’abandon de ces machines pour les applications à puissance élevée. 76 ELEC 2753 - 2012 - Université catholique de Louvain