Moteurs à courant continu

Électrotechnique

Les moteurs à courant continu sont des appareils qui transforment l'énergie électrique qu'ils reçoivent en énergie mécanique. La construction des moteurs est identique à celle des génératrices, de sorte qu'une machine à courant continu peut servir indifféremment comme moteur ou comme génératrice. L'usage des moteurs à courant continu est plutôt restreint, car la distribution se fait à courant alternatif.

Cependant, pour certaines applications il est parfois avantageux d'utiliser des moteurs à courant continu alimentés par des convertisseurs qui transforment le courant alternatif en courant continu. La supériorité de ces moteurs réside dans le fait qu'ils se prêtent facilement à un contrôle souple, continu et presque instantané de leur vitesse. Les moteurs à courant continu ont les mêmes modes d'excitation que les génératrices.

On distingue donc:

1. les moteurs à excitation shunt

2. les moteurs à excitation série

3. les moteurs à excitation compound

De plus, tout comme pour les génératrices, la réaction d'induit se manifeste dans les moteurs, produisant une distorsion et un affaiblissement du flux provenant des pôles à mesure que la charge augmente.

Les problèmes de commutation existent également, c'est pourquoi les moteurs de puissance supérieure à 1 kW contiennent toujours des pôles de commutation. Dans le cas des génératrices, seuls la tension et le courant ont retenu notre attention.

Cependant, pour les moteurs, la compréhension des phénomènes mécaniques faisant intervenir le couple, la vitesse et l'inertie est particulièrement importante.

Nous encourageons donc le lecteur à revoir à la section Notions de mécanique les lois fondamentales reliant ces trois paramètres.

Force contre-électromotrice

Considérons une machine bipolaire dont l'inducteur est un aimant permanent, et dont l'induit, de résistance R_o, est raccordé à une source de tension ES (Fig. 28-1).

Figure 28-1 Démarrage d'un moteur à courant continu

Avant que l'interrupteur ne soit fermé, l'induit est immobile. Dès qu'il est fermé, la source fait passer un courant très intense dans l'induit, car la résistance R_o de celui-ci est très faible (Fig. 28-2).

Figure 28-2 La rotation du moteur induit une tenson E_o, appelée force contre-électromotrice

Or, nous savons (principe II de l'électromagnétisme) que le passage du courant dans les conducteurs de l'induit, situés dans le champ magnétique de l'aimant permanent, engendre une force sur chacun d'eux. L' action de ces forces produit un couple qui fait tourner l'induit.

D'autre part, dès que l'induit se met à tourner, un autre phénomène se manifeste: l'effet générateur. En effet, dans toute machine à courant continu, une tension est induite dans les conducteurs de l'induit dès que ceux-ci coupent des lignes de flux, quelle que soit la cause produisant le mouvement de l'induit.

La valeur et la polarité de la tension sont les mêmes que celles qu'on obtiendrait si la machine fonctionnait comme génératrice. Comme pour cette dernière, la tension induite E_o est proportionnelle à la vitesse de rotation n du moteur et au flux 0entre les pôles. Elle peut donc être exprimée par la même équation que celle utilisée pour les génératrices, soit :

    (28-1)

où

E_o = tension induite dans l'induit [V]
Z = nombre de conducteurs sur l'induit
n = vitesse de rotation du moteur [r/min]
Φ = flux par pôle [Wb]
60 = constante tenant compte des unités

Pour les moteurs, cette tension induite E_o porte le nom de force contre-électromotrice (f.c.é.m.) car sa polarité est telle qu'elle agit «contre» la tension de la source. Elle s'y oppose en ce sens que la tension totale agissant sur le circuit série de la Fig. 28-2 est égale à (E_s - E_o) volts et non pas à (E_s + E_o) volts.

Accélération du moteur

La tension résultante agissant sur le circuit valant (E_s - E_o) volts, le courant I n'est limité que par la résistance Ro, ce qui donne:

    (28-2)

Lorsque le moteur est au repos, la vitesse est nulle, donc la tension induite E_o = 0, et l'équation ci-dessus devient:

I = E_s / R_o

C'est dire qu'au démarrage le courant est énorme car la résistance Ro de l'induit est très basse.

En effet, ce courant de démarrage peut être de 20 à 50 fois plus grand que le courant de pleine charge du moteur. La grande force agissant alors sur les conducteurs produit un couple de démarrage puissant, provoquant une accélération rapide de l'induit.

À mesure que la vitesse croît, E_o augmente et la valeur de la tension résultante (E_s - E_o) diminue.

On en conclut que le courant I diminue avec l'augmentation de la vitesse. Pendant que le courant diminue dans l'induit, le moteur continue d'accélérer jusqu'à une vitesse limite. Pour la marche à vide, cette vitesse est telle qu'elle produit une force contre-électromotrice légèrement inférieure à la tension de la source.

En effet, si la f.c.é.m. pouvait devenir égale à la tension de la source, la tension résultante (E_s - E_o) serait nulle, ce qui donnerait une valeur nulle pour le courant I.

Dans ces conditions, aucune force électromagnétique n'agirait sur les conducteurs de l'induit. Cependant, pour continuer à tourner, le moteur doit toujours produire un couple suffisant pour vaincre le frottement. Par conséquent, la f.c.é.m. doit donc être quelque peu inférieure à la tension de la source pour permettre le passage du faible courant nécessaire à la production de ce couple.

Exemple 28-1

L'induit d'une machine bipolaire, dont la résistance est de 1Ω, génère une tension de 50V lorsque sa vitesse de rotation est 500 r/min. L'inducteur est composé de deux aimants permanents. L'induit est raccordé à une source de 150V (Fig. 28-3).

Figure 28-3

a. Conditions lorsque l'induit est au repos (voir exemple 28-1);

b. Conditions lorsque l'induit tourne à 1000 r/min;

c. Conditions lorsque l'induit tourne à 1460 r/min.

Calculer:

a) le courant de démarrage

b) la f.c.é.m. E_o lorsque le moteur tourne 1000 r/min : à 1460 r/min

c) le courant dans l'induit à 1000 r/min : à 1460 r/min

Solution

a) Au moment où le moteur démarre, l'induit ne tourne pas et, par conséquent, la tension induite E_o = 0 V (Fig. 28-3a). Le courant de démarrage étant seulement limité par la résistance de l'induit, sa valeur est:

b) Étant donné que la tension induite à 500 r/min est de 50V, la f.c.é.m. du moteur à 1000 r/min sera 100V, et à 1460 r/min, 146V. Remarquer que la f.c.é.m. (ou tension induite) est proportionnelle à la vitesse.

c) La f.c.é.m. étant de 100V à 1000 r/min, il s'ensuit que la tension résultante dans le circuit de l'induit (Fig. 28-3b) est:

E_s - E_o= 150 - 100 = 50V

Le courant dans l'induit vaut donc:

Lorsque le moteur atteint une vitesse de 1460 r/min (Fig. 28-3c) la f.c.é.m. sera 146V, soit une tension presque égale à la tension de la source. Dans ces circonstances, le courant dans l'induit n'est que :

et le couple développé par le moteur est beaucoup plus petit qu'auparavant.

Expression du couple

La puissance mécanique et le couple sont deux des caractéristiques importantes d'un moteur à c.c. Nous décrivons ci-après les équations permettant d'évaluer ces deux grandeurs.

On a vu que la tension induite dans un enroulement imbriqué est donnée par:

(28-1)

En se référant à la Fig. 28-2, la puissance électrique fournie à l'induit est:

P_s = E_sI

D'autre part, Es est égale à la f.c.é.m. de E_O plus la chute de tension R_OI dans l'induit soit:

E_s = E_O + R_OI

Par conséquent, la puissance fournie à l'induit est :

Le terme R_OI² représente les pertes Joule dissipées sous forme de chaleur dans l'induit.

Par conséquent, le très important terme E_OI représente la puissance électrique convertie en puissance mécanique.

Donc:

P_m = E_OI    (28-3)

où

P_m = puissance mécanique développée par le moteur [W]

E_O = f.c.é.m du moteur [V]

I = courant dans l'induit [A]

Rappelons que la puissance mécanique d'une machine est donnée par:

P_m = nT19,55     (1-5)

où n est la vitesse de rotation en tours par minute et T le couple, en newton-mètre.

En combinant les équations (28-1), (28-3) et (1-5) on obtient:

où

T = couple du moteur [N•m]

Z = nombre de conducteurs sur l'induit = flux par pôle [Wb]

I = courant dans l'induit [A]

6,28 = constante tenant compte des unités [valeur exacte = 2π]

Cette équation indique qu'on peut augmenter le couple d'un moteur en augmentant, soit le courant I dans l'induit, soit le flux θ provenant des pôles.

Exemple 28-2

L'induit d'un moteur à c.c. de 225 kW, 250V, 1200 r/min contient 243 bobines et possède une résistance de 0,0094Ω.

 L'enroulement est imbriqué et chaque bobine possède 1 spire (Fig. 28-4a et 28-4b).

L'inducteur comprend 6 pôles. Lors d'un essai sous charge, on prend les lectures suivantes: On considère que la chute de tension dans les balais est 1V.

Calculer:

a) le flux par pôle

b) la puissance mécanique développée par le moteur

c) le couple développé

Solution

a) La f.c.é.m est:

E_O= E_s - R_OI - E_{chute dans les balais} = 243 - 0,0094 x 638 - 1 = 243 - 6 - 1 = 236 V

le nombre de conducteurs sur l'induit est:

Z = 243 bobines x 2 conducteurs/bobine = 486

En utilisant l'équation 28-1, le flux par pôle est :

b) La puissance mécanique est :

P_m = E_OI = 236V x 638A = 150,6 kW

c) Le couple du moteur est:

Figure 28-4a Noyau d'induit et collecteur d'un moteur de 225 kW, 250V, 1200 r/min. Le noyau de fer a un diamètre de 559 mm et une longueur de 235 mm ; il est composé de 400 tôles dentées de 0,56 mm.

Figure 28-4b Bobinage d'un induit de moteur à c.c. de 225 kW pour pelle mécanique. 1) machine-outil utilisée pour former les bobines ; 2) bobine formée prête à être introduite dans les encoches; 3) et 4) raccordement des bobines au collecteur de 243 lames

Expression de la vitesse

Lorsqu'un moteur à courant continu marche en régime normal, la chute de tension R_OI dans la résistance de l'induit est généralement faible, de sorte qu'on peut la négliger dans la plupart des calculs de la vitesse. Cette approximation revient à supposer que la f.c.é.m. E_O est égale à la tension de la source Es (Fig. 28-2).

D'autre part, nous avons vu que la f.c.é.m. peut s'exprimer sous la forme:

En remplaçant E_O par E_s , on obtient:

on en déduit que la vitesse est:

(approximativement) (28-5)

où

n = vitesse de rotation [r/min]

E_s = tension aux bornes de l'induit [V]

Z = nombre de conducteurs sur l'induit

θ = flux par pôle [Wb]

Pour un moteur donné, cette expression nous indique que la vitesse de rotation dépend de la tension de la source E_s et du flux par pôle θ. Étudions d'abord l'effet de E_s.

Réglage de la vitesse par la tension de l'induit

Si le flux 0 ne varie pas (cas d'un inducteur à aimant permanent, ou d'un inducteur à courant d'excitation constant), l'équation 28-5 nous indique que la vitesse ne dépend plus que du terme E_s, c'est-à-dire de la tension de la source.

Si l'on augmente ou diminue E_s, la vitesse du moteur augmente ou diminue à peu près dans les mêmes proportions.

En pratique, on peut réaliser cette variation en alimentant l'induit du moteur M avec une génératrice G de tension variable (Fig. 28-5).

Figure 28-5 Commande de vitesse Ward-Leonard

La génératrice est entraînée par un moteur à courant alternatif M_c.a, qui reçoit son énergie du réseau. On maintient l'excitation I_XM de l'inducteur du moteur M constante, alors que l'on fait varier celle (I_XG) de la génératrice.

On peut même changer le sens de rotation du moteur en inversant la polarité de la tension E_s, produite par la génératrice. Cette inversion de polarité est obtenue par simple inversion du courant d'excitation I_XG.

L'ensemble des trois machines M_c.a - G - M de la Fig. 28-5 constitue un groupe Ward-Leonard. Cette méthode assure une extrême souplesse dans le réglage de la vitesse entre de très grandes limites.

On l'utilise pour le contrôle des moteurs de laminoirs et d'ascenseurs dans les mines et les grands édifices. La flexibilité du système Ward-Leonard provient du fait qu'il permet de forcer le moteur M à développer à la fois la vitesse et le couple requis par la charge.

Supposons, par exemple, que E_s soit ajusté à un niveau légèrement supérieur à E_o. Le courant I circule alors dans le sens indiqué à la Fig. 28-5 et le moteur produit un couple positif. Le moteur absorbe de la puissance car le courant I entre par la borne positive de l'induit.

Supposons maintenant que l'on réduise l'excitation du générateur de sorte que E_s devienne inférieur à E_o. Le courant change de sens, ce qui inverse le couple développé par le moteur.

Simultanément, le moteur devient une génératrice, car le courant sort par la borne positive. La puissance électrique que le «moteur» M fournit à G provient de l'énergie cinétique emmagasinée dans le moteur et sa charge. Sous l'effet du couple négatif, le moteur décélère rapidement. (Voir explications section Notions de mécanique et Thermodynamique.)

Comme la «génératrice» G reçoit de la puissance, elle fonctionne en moteur, entraînant le moteur à courant alternatif qui fonctionne à son tour en générateur. Par conséquent, de la puissance à courant alternatif est retournée au réseau. Cette possibilité de récupérer l'énergie est particulièrement efficace, et constitue un autre avantage du groupe Ward-Leonard.

Exemple 28-3

Le système Ward-Leonard montré à la Fig. 28-5 comprend un moteur à courant continu de 2000 kW et un générateur (le 2500 kW. La résistance totale du circuit reliant les deux induits (y compris leur propre résistance) est de 10 mΩ.

Le moteur tourne à une vitesse de 300 r/min lorsque E_s est de 500V.

Calculer le couple et la vitesse du moteur M :

a) lorsque E_s = 400V et E_o = 380V

b) lorsque E_s 350V et E_o = 380V

Solution

a) Le courant dans l'induit est :

I = (E_s - E_o) / R = (400 - 380) / 0,01 = 2000 A

La puissance fournie au moteur est:

P_m =E_oI= 380 x 2000 = 760 kW

La vitesse approximative du moteur est:

n = 380V/500V x 300 = 228 r/min

d'où le couple du moteur:

b) Lorsque E_s = 350 V, le courant dans l'induit est:

Le courant est négatif, donc il circule dans le sens inverse, produisant ainsi un couple négatif. La vitesse du moteur est encore 228 r/min car E_o = 380V.

Cependant, à cause du couple négatif, le moteur est freiné et sa vitesse commence à décroître. Le moteur renvoie au reste du système une puissance

P_m = E_oI = 380 x 3000 = 1140 kW

dont la plus grande partie P_G = 3000 x 350 = 1050 kW est fournie à la génératrice.

Le reste est dissipé dans la résistance de 10 mΩ. Comme le couple est proportionnel au courant dans l'induit, le moteur développe un couple de :

T = 3000A / 2000A x 31,8 kN•m = 41,8 kN•m

Une autre façon de faire varier la tension aux bornes de l'induit d'un moteur pour contrôler sa vitesse, consiste à placer un rhéostat en série avec celui-ci (Fig. 28-6).

Figure 28-6 Commande de vitesse par rhéostat en série avec l'induit

Le passage du courant dans le rhéostat crée une chute de tension qui, soustraite de la tension de la source, réduit la tension aux bornes du moteur. Cette méthode permet seulement de réduire la vitesse à partir de la vitesse nominale.

Elle est onéreuse à cause de la puissance dissipée inutilement par effet Joule dans le rhéostat. De plus, la régulation de vitesse est très mauvaise. En effet, la chute de tension dans le rhéostat augmente à mesure que le courant de l'induit augmente, d'où une baisse substantielle de vitesse avec la charge.

Exemple 28-4

Soit un moteur à c.c. de 2 kW, 240V, 1500 r/min, à excitation shunt. Il doit entraîner une charge à une vitesse de 975 r/min, tout en développant un couple de 5 N •m.

On utilise le montage de la Fig. 28-6, avec E_s = 240V.

Calculer la valeur approximative de la résistance R et la puissance qu'elle dissipe.

Solution

Comme le moteur doit tourner à 975 r/min, la tension induite E_o doit être environ:

E_o = 975 / 1500 x 240 V = 156 V

La tension aux bornes de R est donc:

E_R = 240 - 156 = 84V

La puissance mécanique développée par le moteur est:

Le courant d'induit est:

Il s'ensuit que R est donnée par:

La résistance dissipe une puissance de :

Réglage de la vitesse par le flux de l'inducteur

Une autre façon de faire varier la vitesse est de changer le flux θ. En effet, si la tension E, de la source est tenue constante, le numérateur de l'expression reste constant.

  (28-5)

Par conséquent, la vitesse de rotation n du moteur devient inversement proportionnelle au flux θ. Quand le flux augmente, la vitesse diminue et vice versa.

Cette méthode de variation de la vitesse est fréquemment employée car elle est très simple et ne requiert qu'un rhéostat d'excitation peu coûteux. Le rhéostat est branché en série avec l'inducteur (Fig. 28-7).

Figure 28-7 Commande de vitesse par rhéostat en série avec l'inducteur shunt

Si l'on augmente la résistance du rhéostat, le courant d'excitation et le flux diminuent.

Cet affaiblissement du flux réduit la tension induite E₀, ce qui fait augmenter temporairement le courant I_a dans l'induit. Le moteur développe un couple plus grand qu'auparavant et il accélère jusqu'à ce que la tension E₀ redevienne presque égale à la tension E, de la source.

Pour développer la même f.c.é.m. que précédemment avec un flux plus faible, le moteur doit tourner plus vite. Il est donc possible d'élever la vitesse d'un moteur au-dessus de sa vitesse normale en intercalant une résistance dans le circuit de l'inducteur.

Ce mode de réglage permet de faire varier la vitesse de certains moteurs shunt dans un rapport de 3 à 1. Une variation plus grande entraîne des problèmes de stabilité et de commutation. On notera ici que lorsque la valeur du flux θ se rapproche de zéro, le moteur tend à atteindre une vitesse extrêmement élevée, à s'emballer. Cette condition peut entraîner la destruction du moteur.

Si le courant d'excitation est interrompu dans l'inducteur d'un moteur shunt, le flux correspondant à l'aimantation rémanente devient tellement faible que le moteur doit tourner à une vitesse dangereusement élevée pour induire une f.c.é.m. suffisante.

Des dispositifs de protection, montés sur l'arbre du moteur, peuvent prévenir cet emballement en ouvrant le circuit d'alimentation.

Marche du moteur shunt en charge

Lorsqu'une charge mécanique est subitement appliquée à l'arbre d'un moteur shunt tournant à vide, le faible courant à vide ne peut produire un couple suffisant pour entraîner cette charge, et le moteur ralentit.

La force contre-électromotrice diminue alors, ce qui provoque le passage d'un courant plus intense dans l'induit. Le courant augmente jusqu'à ce qu'il produise un couple suffisant pour supporter la charge mécanique à entraîner.

En résumé, plus la charge mécanique appliquée est grande, plus la vitesse diminue, et plus le courant dans l'induit est intense. La vitesse d'un moteur shunt est relativement constante, même pour des charges variables. Dans la plupart des cas, elle diminue seulement de l'ordre de 5 à 15 % lorsque la pleine charge est appliquée.

La Fig. 28-8 montre les caractéristiques typiques d'un moteur shunt.

Figure 28-8 Caractéristiques en charge d'un moteur shunt

La courbe donnant les valeurs relatives du couple T en fonction de la vitesse n indique que la vitesse varie seulement de 1,1 p.u. à 0,9 p.u. lorsque le couple augmente de zéro à 2 p.u. La deuxième courbe montre que le couple est proportionnel au courant d'induit dans la région comprise entre zéro et 2 p.u.

Cependant, cette droite se transforme progressivement en une courbe aplatie lorsque le courant dépasse 2 p.u.

En effet, la réaction d'induit devient tellement intense que le flux 0 (éq. 28-4) diminue, même si le courant d'excitation demeure fixe. Dans le cas des gros moteurs, la diminution de flux θ due à la réaction d'induit se fait déjà sentir à pleine charge. Par conséquent, la vitesse de ces moteurs tend à augmenter avec la charge.

Comme cela risque de produire une instabilité lorsque la charge varie, on ajoute à ces moteurs un enroulement série qui impose une diminution de vitesse lorsque la charge croît. Ce genre de moteur s'appelle moteur shunt stabilisé. La Fig. 28-9 montre deux moteurs couplés de 4100 kW utilisés pour la propulsion d'un brise-glace.

La Fig. 28-10 illustre l'utilisation de moteurs à c.c. dans un laminoir à chaud.

Figure 28-9 Deux moteurs de 4100 kW couplés propulsent le brise-glace russe «Kiev» (gracieuseté de Siemens)

Figure 28-10 Laminoir à chaud. Le laminage est effectué par 6 laminoirs consécutifs actionnés chacun par un moteur à c.c. de 2500 kW. La feuille d'acier laminé est ensuite entraînée vers la gauche par 161 moteurs à c.c. de 3 kW

Démarrage d'un moteur shunt

On a vu que si la pleine tension est appliquée à un moteur au repos, l'appel de courant est énorme. On risque alors de faire sauter les fusibles, de brûler l'induit et d'endommager le collecteur.

Pour tout moteur shunt à courant continu, il faut donc prendre des précautions appropriées pour limiter le courant de démarrage à une valeur raisonnable, de l'ordre de 1,5 à 2 fois le courant nominal.

Pour réduire le courant au démarrage, il suffit de monter en série avec l'induit un rhéostat de démarrage. La résistance introduite est ensuite progressivement diminuée à mesure que le moteur accélère, et finalement enlevée du circuit dès que le moteur atteint sa vitesse de régime permanent.

Pour assurer un couple de démarrage satisfaisant, il faut que le flux soit aussi grand que possible, c'est-à-dire que l'inducteur doit être connecté directement à la source d'alimentation. Ces conditions sont remplies dans le montage de la Fig. 28-11.

Figure 28-11 Rhéostat de démarrage pour moteur shunt

 Aujourd'hui, on utilise plutôt des circuits électroniques pour limiter le courant de démarrage et pour régler la vitesse (chapitre 43).

Démarreur manuel pour moteur shunt

La Fig. 28-11 montre le schéma d'un rhéostat de démarrage ainsi que la manière de le raccorder à un moteur shunt. Ce rhéostat est du type à plots; les plots en cuivre sont reliés aux extrémités des résistances RI , R2, R3 etR4.

Lorsque la manette de contact 1 est sur le plot mort M, le circuit du moteur est ouvert.

Lorsqu'on déplace la manette au moyen de la poignée 2, elle vient d'abord en contact avec le plot N. La pleine tension E_S est alors appliquée aux bornes du champ shunt.

En même temps, un courant I commence à circuler dans l'induit. Ce courant est limité par la somme des quatre résistances plus la résistance R_o de l'induit. Le moteur accélère, et le courant I diminue progressivement. On fait alors avancer la manette au plot suivant et le courant prend de nouveau une valeur relativement élevée.

À mesure que la vitesse du moteur augmente, on passe ainsi d'un plot à l'autre, pour amener finalement la manette au dernier plot. Elle y est retenue par l'attraction d'un petit électro-aimant 4, branché en série avec l'inducteur.

Si la tension de la source d'alimentation est soudainement interrompue, ou si l'excitation de la bobine shunt est coupée accidentellement, l'électro-aimant n'est plus alimenté et la manette est rappelée par le ressort 3 sur le plot mort. Ce dispositif est nécessaire pour éviter que le moteur ne reparte intempestivement au retour de la tension.

Moteur série

La construction d'un moteur série est identique à celle d'un moteur shunt, sauf en ce qui concerne l'inducteur. L'inducteur est connecté en série avec l'induit et, par conséquent, il doit porter le plein courant du moteur (Fig. 28-12).

Figure 28-12 a. Schéma de connexions d'un moteur série sans pôles de commutation ; b. Diagramme schématique d'un moteur série, montrant l'induit et le champ série

L'enroulement série est donc composé de quelques spires de fil de gros calibre. Bien que sa construction soit similaire à celle d'un moteur shunt, les caractéristiques d'un moteur série sont complètement différentes.

Dans un moteur shunt, le flux 0 par pôle est constant pour toute charge normale, car l'inducteur shunt est connecté à la source de tension, laquelle est fixe. Mais dans un moteur série, le flux dépend du courant qui circule dans l'induit; par conséquent, le flux croît avec le courant de charge.

Malgré ces différences, les même équations fondamentales s'appliquent aux deux machines. Lorsqu'un moteur série fonctionne à pleine charge, le flux par pôle est le même que celui d'un moteur shunt de même puissance et de même vitesse.

Cependant, lors du démarrage, le courant d'induit est supérieur au courant nominal; le flux est donc supérieur au flux obtenu à pleine charge. Par conséquent, le couple de démarrage d'un moteur série excède celui d'un moteur shunt. Par contre, lorsque la charge est inférieure à la puissance nominale, le courant d'induit et le flux par pôle sont inférieurs aux valeurs normales.

Cet affaiblissement du flux a le même effet qu'une réduction de l'excitation dans un moteur shunt et impose une vitesse supérieure à la valeur nominale.

Par exemple, si le courant d'un moteur série diminue de la moitié de sa valeur nominale, le flux 0diminue également de moitié, de sorte que la vitesse double. Il est clair que si la charge mécanique est faible, la vitesse risque d'atteindre des valeurs dangereuses.

Pour cette raison, on ne doit jamais permettre à un moteur série de fonctionner à vide. Il a tendance à s'emballer, et les forces centrifuges peuvent arracher les enroulements de l'induit et provoquer la destruction de la machine.

Lors du démarrage, tout comme pour le moteur shunt, il faut limiter le courant au moyen d'un rhéostat; les connexions sont cependant plus simples à cause de l'absence d'enroulement shunt. Pour le démarrage manuel, on peut employer un rhéostat de démarrage semblable à celui de la Fig. 28-11.

L'électro-aimant 4 qui retient la manette de contact doit être connecté en série avec l'induit. De cette façon, lorsque le courant d'induit devient trop faible (indication de survitesse) la manette retourne automatiquement à la position ouverte.

Réglage de la vitesse d'un moteur série

Lorsque le moteur série entraîne une charge, sa vitesse peut être augmentée en branchant une résistance faible en parallèle avec l'enroulement inducteur. Le courant circulant dans l'enroulement série est alors affaibli ce qui provoque une diminution de flux et une augmentation de vitesse.

De la même façon, la vitesse peut être diminuée en branchant une résistance en série avec l'induit et l'inducteur

La Fig. 28-13 donne les caractéristiques en charge typiques d'un moteur série. Remarquer que la vitesse a augmente en flèche lorsque le couple T diminue. Noter aussi que la caractéristique couple-courant n'est pas linéaire, mais a plutôt une forme parabolique.

Figure 28-13 Caractéristiques en charge d'un moteur série.

Exemple 28-5

Un moteur série de 15 hp, 240V, 1780 r/min a un courant nominal de 54A.

Ses caractéristiques en charge sont données par les courbes normalisées de la Fig. 28-13.

Calculer:

a) la valeur du outrant et de la vitesse lorsque le couple est de 24 N.m

b) le rendement du moteur dans ces circonstances

Solution

a) Établissons d'abord la puissance de base, la vitesse de base et le courant de base du moteur.

Ces valeurs correspondent aux spécifications nominales du moteur, soit:

P_B = 15 hp = 15 x 746 = 11 190 W

n_B = 1780 r/min

I_B =54A

Le couple de base est donc:

Le couple de 24 N•m correspond à un couple relatif de

En se référant à la Fig. 28-13, un couple de 0,4 p.u. correspond à une vitesse de 1,4 p.u. La vitesse réelle est donc:

n = n_p.u. x n_B = 1,4 x 1780 = 2492 r/min

On note sur la caractéristique T-I, qu'un couple de 0.4 p.u. requiert un courant de 0,6 p.u.

Le courant est donc:

I = I_p.u. x I_B = 0,6 x 54 = 32,4A

b) Pour calculer le rendement, il faut connaître les valeurs de la puissance électrique P₁ et de la puissance mécanique P₂.

Le rendement est donc:

Emploi du moteur série

Le moteur série est utilisé chaque fois qu'une charge exige un couple de démarrage puissant ou une accélération rapide. Il est aussi employé dans les cas où sa propriété d'atteindre une haute vitesse à faible charge est avantageuse. Le moteur série convient particulièrement bien à la traction, comme dans les locomotives électriques et les voitures de métro (Fig. 28-14).

Figure 28-14 Voiture électrique

La voiture est munie de 2 moteurs série de 114 kW, 360 V c.c.

Autres spécifications des moteurs:

vitesse: 0 à 3160 r/min; isolation: classe 155 °C; refroidissement: à l'air ; masse: 650 kg.  utilisée sur les trains du métro de Montréal

La mise en marche est rapide car, aux faibles vitesses le couple est élevé. Le moteur série ralentit dans les côtes et, de ce fait, il ne tire pas un courant trop élevé.

En terrain plat, il atteint une vitesse beaucoup plus grande. On l'emploie également pour la commande d'engins de levage tels que grues, palans, cabestans. Lorsqu'il actionne une grue, les charges légères sont déplacées rapidement alors que les charges lourdes sont déplacées lentement.

Moteur compound

Le moteur compound porte un inducteur série et un inducteur shunt. La FMM de l'enroulement série agit toujours dans le même sens que celle de l'enroulement shunt. La FMM de l'enroulement shunt est habituellement plus grande que celle du champ série, même à pleine charge.

La Fig. 28-15 donne le schéma d'un moteur compound.

Figure 28-15 a. Schéma des connexions d'un moteur compound avec pôles de commutation; b. Diagramme schématique d'un moteur compound avec pôles de commutation.

Lorsque le moteur tourne à vide, le courant I dans l'enroulement série est faible et sa FMM est négligeable devant celle de l'inducteur shunt. Dans ces conditions, le moteur agit comme un moteur shunt: il ne s'emballe donc pas à vide.

À mesure que la charge augmente, la FMM de l'inducteur série croît, alors que celle de l'inducteur shunt reste constante. La FMM totale du champ est donc plus grande en charge qu'à vide, de même que le flux. Le moteur doit donc ralentir. La diminution de vitesse de la marche à vide à la pleine charge est généralement de l'ordre de 20 % à 30 %.

Le moteur compound sert à entraîner des machines présentant une charge très élevée et de courte durée: étaux-limeurs, cisailles, poinçonneuses, presses, etc.

Ces machines comportent souvent un volant d'inertie qui emmagasine de l'énergie mécanique et la restitue lorsque de fortes surcharges sont brusquement appliquées; les moteurs compound permettent cet échange d'énergie car leur vitesse tombe au moment de la surcharge.

Le graphique de la Fig. 28-16, donnant les courbes caractéristiques des vitesses des moteurs shunt, série et compound, illustre bien l'influence du champ série sur la vitesse.

Figure 28-16 Caractéristiques vitesse-couple de divers types de moteurs à c.c.

Inversion du sens de rotation

Si l'on désire changer le sens de rotation d'un moteur shunt, il faut inverser le sens du courant, soit dans l'induit, soit dans l'inducteur. Dans le cas d'un moteur compound, il faut inverser le sens du courant dans l'induit (Fig. 28-17). Il est entendu que le terme «induit» comprend les pôles de commutation.

Figure 28-17 a. Connexions d'un moteur compound; b. Inversion du sens de rotation

Énergie cinétique de rotation et arrêt d'un moteur

Lorsqu'un moteur démarre une charge ayant une inertie importante, comme un gros volant, on constate qu'il faut attendre plusieurs minutes avant qu'il n'atteigne sa vitesse de régime permanent.

Si l'on coupe l'alimentation du moteur, la période de décélération est encore plus longue, et peut atteindre une heure et plus. Le temps requis pour amener la charge à la vitesse finale, ou pour l'arrêter, dépend de l'énergie cinétique emmagasinée.

Lors du démarrage, la charge reçoit de l'énergie du moteur mais, à cause de son couple limité, il faut attendre un temps appréciable avant que la vitesse finale soit atteinte.

De même, lors du ralentissement, si les pertes par friction et par ventilation sont faibles, une longue période doit s'écouler avant que cette énergie cinétique soit dissipée. Une décélération lente est bien souvent inacceptable; on doit alors appliquer un couple de freinage pour assurer un arrêt rapide.

On pourrait évidemment freiner le moteur à l'aide d'un frein mécanique. Une autre approche, évitant l'usure mécanique, consiste à freiner le moteur en faisant circuler dans l'induit un courant de sens approprié. Pour effectuer ce freinage électromécanique, on peut utiliser deux méthodes:

a) le freinage dynamique

b) le freinage par inversion («plugging»)

Freinage dynamique