Réglage de la vitesse 2

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Série 4 : Commande de machines

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Variateurs à hacheurs

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Cette publication contient la leçon N° 4 de la commande des machines électriques. Proposé et rédigé par Dr Khader Saad

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III.9 Démarrage d’un moteur à courant continu

On ne peut alimenter un moteur à courant continu en excitation séparée ou en shunt à pleine tension pendant la phase de démarrage. En effet, la vitesse au démarrage étant nulle, la force contre électromotrice E est aussi nulle. Le courant induit ne se trouve limité que par la résistance de l’induit.

On a 3 possibilités pour réduire le courant au démarrage :

  • Si le moteur est alimenté par une source de tension variable, on peut faire croître progressivement la tension de façon à ce que le courant ne dépasse pas 2.5 In (In : courant nominal).
  • Si le réseau est fixe, on introduit en série avec le circuit d’induit une résistance variable que l’on élimine progressivement.
  • Utiliser une boite automatique qui réalise la même fonction qu’un rhéostat de démarrage, mais automatiquement.
Démarrage rhéostatique d’un moteur à courant continu
III.10 Freinage d’un moteur à courant continu

C’est l’opération qui consiste à immobiliser instantanément l’arbre du moteur en transformant l’énergie cinétique du moteur et de la charge en énergie électrique. Lors de l’arrêt non freiné, le moteur ne s’arrête pas instantanément due à l’énergie cinétique emmagasinée dans la partie tournante. Or, dans certaines applications, on exige un arrêt rapide. Pour assurer un arrêt rapide, on doit appliquer un couple de freinage. Cet arrêt rapide se fait par deux procédés :

a- Freinage rhéostatique : l’énergie de freinage est dissipée dans un rhéostat : l’inducteur doit rester alimenté. On coupe l’alimentation de l’induit et on le fait débiter dans le rhéostat. Le moteur fonctionne alors en génératrice.

Freinage rhéostatique

L’énergie cinétique du moteur est dissipée par effet Joule :

Ec=RfI2t

Le couple de freinage :

Pour maintenir le couple de freinage suffisant, on doit diminuer progressivement la résistance du rhéostat. À la fin de la phase de freinage, il faut prévoir un procédé de blocage mécanique si un couple à l’arrêt est nécessaire.

b-freinage à contre-courant : ce mode de freinage est utilisé lorsqu’on exige un arrêt brutal de déplacement de la charge (engins de levage…). Il consiste à croiser les deux bornes de l’alimentation de l’induit.

Il faudra nécessairement introduire un capteur tachymétrique pour détecter l’annulation de vitesse et couper l’alimentation de l’induit avant que le moteur ne change de sens de rotation.

Freinage à contre-courant

L’intensité du courant est calculée selon la relation :

Il est possible de régler le couple de freinage en modifiant le courant I à l’aide de la résistance R’.

C-freinage par récupération : dans ce mode de freinage, le moteur qui devient une génératrice doit débiter dans la source, ce qui offre la possibilité de récupérer l’énergie de freinage. Ceci nécessite que la force électromotrice du moteur soit supérieure à celle de la source : E > U.

Freinage par récupération
  • Si la source est à tension fixe, la condition E > U ne peut être réalisée que si la vitesse du groupe augmente légèrement. Ce procédé est aussi appelé freinage en survitesse et utilisé en traction de montagne dans les descentes. Ce procédé permet seulement de récupérer l’énergie sans réduire la vitesse de rotation de la machine.
  • Si la tension de la source est réglable, cela suppose l’utilisation d’un convertisseur statique qui est un redresseur à thyristors, par exemple, fonctionnant en régime d’onduleur assisté.
III.11 Inversion du sens de rotation

Deux possibilités existent pour inverser le sens de rotation d’un moteur à courant continu :

  • Changer le sens de l’induction (impossible pour les moteurs à aimant permanent) en inversant le sens du courant (les polarités) dans l’inducteur.
  • Changer le sens du courant (les polarités) dans l’induit.
III.12 Schéma électrique en mode de fonctionnement moteur

Pour créer le flux inducteur dans une machine à courant continu, alimenter l’enroulement d’excitation directement par une source continue. Le schéma technologique d’une MCC est représenté sur la figure suivante :

Schéma électrique en mode de fonctionnement moteur
III.13 Modélisation de la machine à courant continu

La modélisation est largement utilisée dans l’identification des paramètres du système, la commande et la détection des défauts. En effet, la connaissance du modèle mathématique permettant de décrire l’évolution au cours du temps de la dynamique de ce système. Il est nécessaire de posséder des informations sur le comportement du système sous l’influence des commandes, des perturbations, au cours du temps, et comment cette évolution se traduit au niveau des sorties. L’ensemble de ces informations constitue le modèle. Le MCC étant un système électromécanique, les équations dynamiques résultent de la combinaison des modélisations mécanique et électrique du moteur, schématiquement décrites à la figure suivante.

Schéma fonctionnel de la machine à courant continu

Les transformées de Laplace obtenues nous permettent de modéliser le moteur sous forme de schéma bloc ou de schéma fonctionnel. Ces schémas présentent les fonctions de transfert suivant les paramètres d’entrée et de sortie considérés.

Schéma de simulation de la machine à courant continu

Pour la partie électrique, on calcule la tension aux bornes de l’induit. L’équation électrique, liant la tension u aux bornes de l’induit et le courant d’induit i s’écrit :

– Au régime transitoire :

– Au régime permanent :

Pour la partie mécanique, on applique le principe fondamental de la dynamique autour de l’axe de rotation. L’équation mécanique rendant compte des couples agissant sur le rotor s’écrit :

Schéma électrique des parties tournantes (moteur + charge).

J est le moment d’inertie des parties tournantes (moteur + charge).

III.14 Point de fonctionnement d’un groupe moteur- charge entrainée

Le point de fonctionnement en charge, comme pour tous les moteurs, est défini par l’intersection entre la caractéristique mécanique du moteur et celle de la charge entraînée (C=f(Ω) et Cr=f(Ω)). Pour déterminer le point de fonctionnement d’un ensemble moteur-charge, il suffit de tracer sur le même diagramme les caractéristiques mécaniques des deux machines. Pour obtenir le régime permanent de fonctionnement, il faut que la différence (C-Cr) doit être nulle.

Point de fonctionnement d’un groupe (moteur – charge entrainée).

Le point A est le point de fonctionnement qui correspond habituellement au couple nominal et à la vitesse nominale. Le moment du couple fourni par le moteur est identique au moment du couple résistant.

  • Si C = Cr En régime établi, la vitesse est constante et le C délivré par le moteur est égal au Cr.
  • Si C < Cr, la vitesse diminue : freinage.
  • Si C > Cr, la vitesse augmente : l’accélération.
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