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ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain Machines à courant continu E. MATAGNE

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Présentation au sujet: "ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain Machines à courant continu E. MATAGNE"— Transcription de la présentation:

1 ELEC Université catholique de Louvain Machines à courant continu E. MATAGNE

2 ELEC Université catholique de Louvain Introduction

3 ELEC Université catholique de Louvain 3 Il est pratique de disposer de machines pouvant fonctionner en courant continu (DC) car cela permet deffectuer plus facilement des connexions avec dautres machines du même type sans soccuper de formes donde avec des dispositifs naturellement DC, comme les piles, les piles à combustible, les bacs à électrolyse, les accumulateurs, les modules photovoltaïques, les dispositifs électroniques …

4 ELEC Université catholique de Louvain 4 Il existe bien quelques dispositifs « spontanément » DC. Roue de Barlow (1822): Selon les historiens, ce nest pas le premier moteur électrique puisquil ny a pas de poulie !

5 ELEC Université catholique de Louvain 5 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.

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

7 ELEC Université catholique de Louvain 7 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

8 ELEC Université catholique de Louvain 8 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 dénergie correct.

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

10 ELEC Université catholique de Louvain 10 Malheureusement, les machines dérivées de ces dispositifs ne peuvent fonctionner quavec de faibles tensions car le conducteur actif ne traverse quune seule fois le champ magnétique. Leur avantage est une résistance faible, mais il faut pour en profiter réaliser les contacts glissants dune 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. Nous avons ajouté un indice « a » pour le cas où le dispositif comporterait, à la place dun aimant permanent, un inducteur « f ». Comportement simple, facile à maîtriser. Formules à retenir !

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

12 ELEC Université catholique de Louvain 12 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 sest imposée est celle où lenroulement AC (induit) se trouve au stator, le stator servant à obtenir un champ immobile : cest donc une structure inversée par rapport à lalternateur normal. Le fait de mettre au rotor le circuit qui intervient dans la conversion dénergie ne se justifie que parce que cela permet de simplifier la structure du convertisseur AC/DC qui y est associé.

13 ELEC Université catholique de Louvain 13 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 dun moteur, il existe des positions pour lesquelles on na pas de démarrage.

14 ELEC Université catholique de Louvain 14 Régularité de la tension et du couple : Avec trois lames et trois bobines, cest 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). Améliorations : Géométrie des pôles : La navette siemens Inconvénient : fort couple réluctant

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

16 ELEC Université catholique de Louvain 16 Quelle est la forme idéale pour les pôles, pour les pôles, pour le bobinage de linduit ? pour le bobinage de linduit ? 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 sannule, donc quand le flux y est maximum.

17 ELEC Université catholique de Louvain 17 En labsence de courant induit, la forme du champ dentrefer est donc celle représentée ci- contre. Soit, avec la symétrie habituelle Le but est donc dobtenir le flux le plus élevé possible. On choisit un entrefer dépaisseur minimum sur toute la surface des pôles (contrairement à ce que lon fait dans le cas des machines synchrones, car il ny a plus de raison dobtenir un champ sinusoïdal).

18 ELEC Université catholique de Louvain 18 Doù le flux par pôle Exemple de calcul approché du flux (machine à 1 paire de pôles) Sur une section de n 1 spires, on aSur linducteur, on a On en déduit

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

20 ELEC Université catholique de Louvain 20 En réalité, il y a un grand nombre sections identiques, mais décalées lune par rapport à lautre, de sorte que toute la surface du rotor est couverte dencoches contenant les conducteurs de ces sections.

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

22 ELEC Université catholique de Louvain 22 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). Linduit est formé dans le cas considéré de deux branchements comportant chacun une moitié des sections. On peut considérer lensemble des sections de linduit comme un seul circuit, le « circuit dinduit », dont la position est liée à celle des balais. La figure de droite illustre cette idée. Les grandeurs relatives au « circuit dinduit » sont repérées par la lettre « a ». Note : linduit est en quadrature magnétique avec linducteur. Le couplage entre les deux circuits est nul ! Ce fait est dailleurs utilisé en pratique pour positionner les balais.

23 ELEC Université catholique de Louvain 23

24 ELEC Université catholique de Louvain 24

25 ELEC Université catholique de Louvain Le problème de la commutation

26 ELEC Université catholique de Louvain 26 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, lévolution du courant devrait être linéaire pour garder une densité de courant constante sous les balais.

27 ELEC Université catholique de Louvain 27 Sur la figure, n b 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 dinduit i a. 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 dinduit. Le décalage des balais devrait donc dépendre du courant, de sorte que lon doit en pratique se contenter dun compromis. En pratique, il nen est pas ainsi à cause de linductance des sections en commutation (qui occasionne un retard dans lévolution du courant)

28 ELEC Université catholique de Louvain 28 Meilleure solution : munir le stator de pôles de commutation, situés entre les pôles principaux, et munis dun enroulement parcouru par le même courant que linduit. 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.

29 ELEC Université catholique de Louvain Établissement des équations

30 ELEC Université catholique de Louvain 30 En régime, la tension dinduit est égale à la tension moyenne dune section, multipliée par le nombre n 2 de section par branchement.

31 ELEC Université catholique de Louvain 31 où k est une constante qui ne dépend que de la géométrie de la machine. k est essentiellement une fonction de i f. Il dépend aussi du courant dinduit i a à cause de la saturation magnétique : cet effet sappelle la « réaction dinduit ».

32 ELEC Université catholique de Louvain 32 La relation entre le flux et le courant dinducteur a lallure dune courbe dhystérésis. En fait, ce que lon 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 labsence de courant dinduit). On remarque la présence dun flux rémanent.

33 ELEC Université catholique de Louvain 33 Nous ne chercherons pas à établir directement lexpression du couple. La conservation de lénergie implique que lon ait C em = k i a

34 ELEC Université catholique de Louvain 34 Les équations dynamiques sont Soit, en régime permanent Avec a = a (i a, ) ou a (i a, i f ) f = f (i f, ) ou f (i a, i f ) f = f (i f, ) ou f (i a, i f )

35 ELEC Université catholique de Louvain 35 deviennent dans le cas linéaire (sans saturation) où est la position du circuit dinduit (cest-à-dire celle des balais)

36 ELEC Université catholique de Louvain Le problème de la réaction dinduit

37 ELEC Université catholique de Louvain 37 Le courant i a modifie la répartition de champ magnétique dans la machine. Cest ce que lon appelle la réaction dinduit. Les conducteurs de linduit 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 dun côté et affaibli de lautre.

38 ELEC Université catholique de Louvain 38 Si les balais sont bien placés, on sattend à ce que la réaction dinduit nait pas deffet sur le flux principal, donc sur la tension induite, puisque les enroulements dinduit et dinducteur sont alors en quadrature. Ce serait effectivement le cas en labsence de saturation : le courant dinduit produirait un champ dentrefer ayant la forme ci-dessous.

39 ELEC Université catholique de Louvain 39 Ce champ sadditionne au champ associé à linducteur dun côté du pôle, et sen soustrait de lautre côté. La saturation réduit le champ à lendroit où il est le plus fort, de sorte que le flux total est réduit. Quel que soit son signe, le courant dinduit occasionne une diminution du flux principal.

40 ELEC Université catholique de Louvain 40 Leffet de la réaction dinduit sur le flux principal est en première approximation quadratique en i a et linéaire en i f.

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

42 ELEC Université catholique de Louvain 42 Pour de très grosses machines, on utilise parfois un enroulement supplémentaire, lenroulement de compensation (à ne pas confondre avec de circuit des pôles de commutation). Lenroulement 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 linduit. Lenroulement de compensation est mis en série avec linduit. Sa résistance sajoute donc à R a. Nous verrons plus loin une troisième méthode, celle de lenroulement compound.

43 ELEC Université catholique de Louvain La résistance dinduit

44 ELEC Université catholique de Louvain 44 La résistance dinduit nest pas linéaire, à cause du contact entre balais et lames de collecteur. En fait, on a intérêt à considérer R a i a comme un tout fonction de i a. On ne peut pas mesurer R a avec un courant faible (ohmmètre, pont de mesure DC) car on trouverait ainsi une valeur beaucoup trop grande (la pente à lorigine). Si on ne dispose que de dispositifs à faible courant pour mesure R a, 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 linduit, que lon mesure alors séparément, ainsi que la contribution des contacts lames-balais, que lon estime grossièrement dans ce cas.

45 ELEC Université catholique de Louvain 45 En première approximation, on peut distinguer dans la fonction (R a i a ) un terme constant (dont le signe dépend de celui de i a ) et un terme linéaire : (R a i a ) = u seuil sgn(i a ) + R a diff i a

46 ELEC Université catholique de Louvain Comportement des machines DC

47 ELEC Université catholique de Louvain 47 Considérons dabord le cas où linduit et linducteur sont alimentés par des circuits distincts. donc, éliminant i a

48 ELEC Université catholique de Louvain 48 On peut régler la vitesse par le courant dexcitation. En augmentant le courant dexcitation, on diminue la vitesse. Il nest pas possible de descendre jusquà une vitesse nulle. Ce type de commande nest donc possible que pour un petit ajustement de la vitesse. On surdimensionne parfois linducteur pour avoir une plage de réglage plus grande.

49 ELEC Université catholique de Louvain 49 Le montage présenté ne peut pas être utilisé si on coupe lalimentation de linducteur en ouvrant le circuit, car linductance de linducteur occasionne alors une surtension dangereuse. A noter que la vitesse augmente lorsque le courant dexcitation diminue. Il y a donc un risque demballement en cas de « panne » du circuit dinducteur lors dun fonctionnement à faible charge (si la machine est chargée, il y a moins de danger car le surcourant dinduit pourra déclencher une protection).

50 ELEC Université catholique de Louvain 50 R a i a étant normalement petit, la vitesse est à peu près proportionnelle à la tension u a. Cette méthode est plus coûteuse puisque la puissance à commander est beaucoup plus grande (cest toute la puissance du moteur). On utilise donc normalement pas de résistances pour réaliser cette commande, mais un dispositif électronique de puissance. On peut remplacer la résistance de réglage par un dispositif électronique de puissance : on économise un peu dénergie et le réglage peut être automatisé. On peut aussi combiner ce réglage avec une résistance fixe qui garantit que le courant i f restera toujours suffisant pour éviter lemballement. Un mode de commande plus efficace consiste à effectuer la commande par la tension dinduit. On a en effet

51 ELEC Université catholique de Louvain 51 Si la tension dinduit nest pas commandée en fonctionnement normal, on utilise néanmoins une résistance pour limiter le courant de démarrage, qui vaudrait sinon U/R a au démarrage, soit beaucoup plus que le courant nominal puisque R a I a est normalement petit. Leffet de R d est daugmenter la valeur de R a à mettre dans les équations

52 ELEC Université catholique de Louvain 52 On passe dun fonctionnement en moteur à un fonctionnement en génératrice en changeant le signe du couple

53 ELEC Université catholique de Louvain 53 Si on réalise une commande par la tension dinduit, on peut changer le sens de rotation de façon progressive, donc utiliser les 4 quadrants du diagramme C em - m.

54 ELEC Université catholique de Louvain 54 Dans beaucoup de cas, linducteur est prévu pour pouvoir être connecté en série avec linduit. 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 R a la résistance de linducteur série, et en identifiant i a et i f.

55 ELEC Université catholique de Louvain 55 Lavantage de ce moteur est que, quand le couple demandé est élevé, le courant dexcitation croît automatiquement. La caractéristique couple-vitesse est la représentée ci-contre. Linconvénient est un risque demballement en cas de disparition de la charge mécanique. Il est utilisé en traction sur des véhicules sans embrayage !

56 ELEC Université catholique de Louvain 56 En labsence de convertisseur électronique, le démarrage dun moteur série peut se faire en utilisant une résistance de démarrage.

57 ELEC Université catholique de Louvain 57 Dautres machines sont concues de façon à ce que linducteur puisse être connecté en parallèle sur linduit. On parle alors de machine DC shunt. Dans le cas dun moteur shunt alimenté par une source de tension, létude faite pour la machine à excitation indépendante peut être reprise telle quelle. La dynamo shunt devrait faire lobjet dune étude, mais elle nest pratiquement plus utilisée. Alors…

58 ELEC Université catholique de Louvain 58 Certaines machines comportent, outre linducteur principal de type shunt ou indépendant, un inducteur auxiliaire de type série. On parle de machine compound quand linducteur auxiliaire renforce le flux (utile pour compenser la chute de tension ohmique dune dynamo en charge ou pour compenser la réaction dinduit). On parle de machine compound quand linducteur auxiliaire renforce le flux (utile pour compenser la chute de tension ohmique dune dynamo en charge ou pour compenser la réaction dinduit). On parle de machine anticompount quand linducteur auxiliaire réduit le flux (utile pour compenser la chute ohmique dun moteur en charge).

59 ELEC Université catholique de Louvain 59 Les différentes connexions du circuit dexcitation sont donc les suivantes IndépendanteSérie Shunt Compound (concordant ou anticompound)

60 ELEC Université catholique de Louvain 60 Normalisation des sens de référence La vitesse de rotation est positive si elle est antihorlogique lorsque lon regarde la machine par lextrémité où se trouve le collecteur. Les bornes de linduit sont repérées par les lettres A - B Les bornes dun inducteur shunt …… C - D Les bornes dun inducteur série ou compound …. E - F Les bornes du circuit de commutation G - H Les bornes dun 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).

61 ELEC Université catholique de Louvain Moteur série monophasé (dit « moteur universel »)

62 ELEC Université catholique de Louvain 62 Le moteur DC a lavantage 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 lalimentation 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.

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

64 ELEC Université catholique de Louvain 64 Problèmes du moteur série monophasé Le champ étant alternatif, il y a apparition de pertes magnétiques (par hystérésis et par courants de Foucault). Linducteur doit donc impérativement être feuilleté. Le rendement est affecté, puisque ce moteur a des pertes magnétiques aussi bien à linducteur quà linduit. Puisque les flux dinducteur et dinduit sont alternatifs, il apparaît dans ces enroulements des chutes de tension inductives. Le facteur de puissance (cos ) du moteur risque donc den 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 sattendre 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 nempêchent pas le moteur de fonctionner en courant continu. Pour cette raison, le moteur série monophasé est souvent appelé « moteur universel ».

65 ELEC Université catholique de Louvain 65 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 m = K N où k et K = k / 30 dépendent du nombre de spires et de la géométrie de lenroulement dinduit, la vitesse de rotation N étant en tours / minute et m en rad/s. les chutes de tension ohmiques R s i et R a i On a en outre les f.é.m. dues à la variation des flux dinducteur (désigné ici par la lettre s) principal E s = - n s d / dt et de fuite E sf = - d f / dt les f.é.m. dues à la variation des flux dinduit principal E a = - d a / dt et de fuite E af = - d af / dt

66 ELEC Université catholique de Louvain 66 En supposant que tous ces flux sont proportionnels au courant i, on peut prendre leur effet en compte à laide dinductances L s, L sf, L a, L af. Dans ce cas, la grandeur E = k N est, elle aussi, proportionnelle au courant (à vitesse fixée, elle se comporte comme une résistance !). Donc, tous les termes étant linéaires, une tension dalimentation sinusoïdale entraînera lapparition dun courant sinusoïdal. On peut donc passer aux phaseurs, et considérer au lieu des résistances des réactances X s, X sf, X a, X af.

67 ELEC Université catholique de Louvain 67 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.

68 ELEC Université catholique de Louvain 68 Caractéristiques Négligeons les chutes de tension R a i et R s i et posons = c i On obtient aisément C = k i = k c i 2 et E = K N = K c N i Donc = k c I 2 par la suite, on nécrira plus le symbole Lexpression du couple reste valable même si le courant nest pas sinusoïdal : cest la valeur efficace du courant qui est importante.

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

70 ELEC Université catholique de Louvain 70 En portant lexpression de I dans celle du couple, on obtient aussi

71 ELEC Université catholique de Louvain 71 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 lendroit 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 dune f.é.m. due au fait que le flux encerclé (tout le flux dun pôle) est alternatif (f.é.m. induite par effet « transformateur »). En labsence de mesures spéciales, le rendement souffre de la mauvaise commutation. Hélas, la plupart des mesures que lon peut prendre pour améliorer la commutation ont un effet défavorable sur les pertes ohmiques de linduit, comme nous le verrons plus loin.

72 ELEC Université catholique de Louvain 72 Commande de vitesse Le fonctionnement du moteur universel est peu affecté par une distorsion de la forme donde : cest essentiellement la valeur efficace de sa tension dalimentation qui détermine son comportement (pour rappel, le couple dépend du carré du courant efficace). Il peut donc être commandé dune façon très économique à laide dun triac grâce auquel on napplique au moteur quune fraction de chaque alternance de la tension. Ce procédé est utilisé notamment dans certains lave-linge (il permet dobtenir plusieurs vitesses de lavage et dessorage).

73 ELEC Université catholique de Louvain 73 Note sur les applications de puissance Le « moteur universel » nest 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 quils 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 dinduit. 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 nest bonne quà une seule vitesse ! On doit donc prendre dautres mesures (voir dia suivante)

74 ELEC Université catholique de Louvain 74 Un autre moyen est de réduire le flux de linducteur en diminuant son nombre de spires … et en augmentant en augmentant pour garder le même couple le nombre de spires de linduit. La machine est alors sujette à la réaction dinduit, ce que lon doit pallier par un enroulement de compensation. Pour que lon améliore la commutation par ce procédé, il faut que laugmentation du nombre de spires de linduit se fasse en gardant le même nombre de spires par section, donc en augmentant le nombre de sections. Linduit 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. Lutilisation dun moteur universel à puissance élevée implique aussi une amélioration du cos. La réduction du nombre de spires de linducteur et lajout dun circuit de compensation ont pour effet de réduire respectivement linductance de linducteur et celle de linduit. La réduction des inductances a pour conséquence lamélioration du cos, 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 lon est en AC.

75 ELEC Université catholique de Louvain 75 Ainsi, le rendement du « moteur universel » à 50 Hz est toujours médiocre. Il a des pertes magnétiques aussi bien à linduit quà linducteur, Ses pertes dinduit 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. Cest pour cette raison que le réseau de chemin de fer allemand utilise une fréquence f = 50 Hz / 3 = Hz. Malheureusement, quand la fréquence est faible, la taille des transformateurs et dautres dispositifs augmente.

76 ELEC Université catholique de Louvain 76 Conclusion Lutilisation 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 lon ne peut atténuer quau prix de lutilisation dun réseau de transport dénergie à fréquence plus faible. Lélectronique de puissance a fait apparaître des solutions plus intéressantes, et donc conduit à labandon de ces machines pour les applications à puissance élevée.


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