Contrôle de la vitesse du moteur à courant continu : Contrôle de la résistance de l'armature et contrôle du flux du champ

Un moteur à courant continu est un dispositif qui convertit la puissance mécanique en puissance électrique à courant continu. L'une des caractéristiques les plus notables d'un moteur à courant continu est sa capacité à avoir sa vitesse facilement ajustée selon des exigences spécifiques en utilisant des méthodes simples. Ce niveau de contrôle de vitesse pratique n'est pas aussi facilement réalisable avec un moteur à courant alternatif.

Les concepts de régulation de vitesse et de contrôle de vitesse sont distincts. Dans le cas de la régulation de vitesse, la vitesse du moteur change spontanément en réponse à diverses conditions de fonctionnement. En revanche, dans un moteur à courant continu, les changements de vitesse sont délibérément initiés soit manuellement par un opérateur, soit automatiquement via des dispositifs de commande. La vitesse d'un moteur à courant continu est déterminée par la relation suivante :

L'équation (1) montre clairement que la vitesse d'un moteur à courant continu dépend de trois facteurs clés : la tension d'alimentation V, la résistance du circuit d'armature Ra, et le flux magnétique ϕ, généré par le courant d'excitation.

• Lorsqu'il s'agit de contrôler la vitesse d'un moteur à courant continu, la manipulation de la tension, de la résistance de l'armature et du flux magnétique sont des considérations cruciales. Il existe trois techniques principales pour réaliser le contrôle de vitesse d'un moteur à courant continu, comme indiqué ci-dessous :

• Variation de la résistance dans le circuit d'armature (contrôle de la résistance de l'armature ou contrôle rhéostatique)

• Variation du flux magnétique (contrôle du flux magnétique)

• Variation de la tension appliquée (contrôle de la tension de l'armature)

Une exploration plus approfondie de chacune de ces méthodes de contrôle de vitesse est fournie ultérieurement.
Contrôle de la résistance de l'armature d'un moteur à courant continu (moteur en dérivation)
Le schéma de connexion pour mettre en œuvre le contrôle de la résistance de l'armature sur un moteur en dérivation est illustré ci-dessous. Dans cette approche, une résistance variable Re est insérée dans le circuit d'armature. Il convient de noter que les variations de la valeur de cette résistance variable n'affectent pas le flux magnétique car l'enroulement d'excitation est directement connecté au réseau d'alimentation.

La caractéristique courant-vitesse du moteur en dérivation est montrée ci-dessous.

Moteur en série
Examinons maintenant le schéma de connexion pour contrôler la vitesse d'un moteur à courant continu en série en utilisant la méthode de contrôle de la résistance de l'armature.

Lorsque la résistance du circuit d'armature est ajustée, elle affecte simultanément le courant circulant dans le circuit et le flux magnétique à l'intérieur du moteur. La chute de tension sur la résistance variable diminue effectivement la tension disponible pour l'armature. Par conséquent, cette réduction de la tension appliquée à l'armature entraîne une diminution de la vitesse de rotation du moteur.

La courbe caractéristique vitesse-courant d'un moteur en série, qui illustre la relation entre la vitesse du moteur et le courant qui le traverse, est présentée dans la figure ci-dessous.

Lorsque la valeur de la résistance variable Re est augmentée, le moteur fonctionne à une vitesse de rotation inférieure. Étant donné que la résistance variable conduit tout le courant de l'armature, elle doit être conçue pour supporter en continu le courant nominal de l'armature sans surchauffer ni se détériorer.

Inconvénients de la méthode de contrôle de la résistance de l'armature

• Une quantité importante de puissance électrique est dissipée sous forme de chaleur dans la résistance externe Re, entraînant des inefficacités et un gaspillage d'énergie.

• Cette méthode de contrôle de la résistance de l'armature est limitée à la réduction de la vitesse du moteur en dessous de sa vitesse de fonctionnement normale ; elle ne permet pas d'augmenter la vitesse au-delà du niveau normal.

• Pour toute valeur spécifique de la résistance variable, le degré de réduction de vitesse n'est pas fixe mais fluctue en fonction de la charge appliquée au moteur, rendant difficile la réalisation d'une régulation de vitesse précise.

• En raison de ses inefficacités inhérentes et de ses limitations, cette approche de contrôle de vitesse est généralement adaptée uniquement aux petits moteurs.

Méthode de contrôle du flux magnétique d'un moteur à courant continu

Le flux magnétique à l'intérieur d'un moteur à courant continu est généré par le courant d'excitation. Par conséquent, le contrôle de vitesse en utilisant cette méthode est réalisé en ajustant l'amplitude du courant d'excitation.

Moteur en dérivation

Dans un moteur en dérivation, une résistance variable RC est connectée en série avec les enroulements d'excitation en dérivation, comme illustré dans la figure ci-dessous. Cette RC est communément appelée régulateur de champ en dérivation, jouant un rôle crucial dans la modification du courant d'excitation et, par conséquent, du flux magnétique du moteur.

Le courant d'excitation en dérivation est donné par l'équation suivante :

Lorsque la résistance variable RC est insérée dans le circuit d'excitation, elle restreint le flux du courant d'excitation. Par conséquent, le flux magnétique généré par les enroulements d'excitation est diminué. Cette réduction de flux a un impact direct sur la vitesse du moteur, la faisant augmenter. Ainsi, le moteur fonctionne à une vitesse de rotation supérieure à sa vitesse normale non modifiée.

Cette caractéristique unique rend la méthode de contrôle du flux magnétique très utile pour deux objectifs principaux. Premièrement, elle permet au moteur d'atteindre des vitesses supérieures à sa vitesse de fonctionnement standard, offrant de la flexibilité dans les applications nécessitant des taux de rotation élevés. Deuxièmement, elle peut être utilisée pour compenser la baisse naturelle de vitesse qui se produit lorsque le moteur est sous charge, maintenant ainsi une vitesse plus constante sous différentes conditions de charge.

La courbe caractéristique vitesse-couple d'un moteur en dérivation, qui illustre graphiquement la relation entre la vitesse de rotation du moteur et le couple qu'il peut produire, est présentée ci-dessous. Cette courbe offre des informations précieuses sur les caractéristiques de performance du moteur sous différents scénarios de fonctionnement lorsque la méthode de contrôle du flux magnétique est appliquée.

Moteur en série

Dans le cas d'un moteur en série, la modification du courant d'excitation peut être réalisée par l'une des deux méthodes : soit en utilisant un détourneur, soit en mettant en œuvre un contrôle de champ par prises.

Par l'utilisation d'un détourneur

Comme illustré dans la figure ci-dessous, une résistance variable Rd est connectée en parallèle avec les enroulements d'excitation en série. Cette configuration permet de manipuler la distribution du courant dans le circuit, influençant ainsi la force du champ magnétique généré par les enroulements d'excitation en série.

La résistance parallèle dans ce montage est connue sous le nom de détourneur. Lorsque le détourneur avec une résistance variable Rd est connecté, il dévie une certaine fraction du courant principal loin des enroulements d'excitation en série. Par conséquent, la fonction principale du détourneur est de diminuer l'amplitude du courant passant dans l'enroulement d'excitation. À mesure que le courant d'excitation diminue, le flux magnétique généré par le champ diminue également. Cette réduction de flux entraîne une augmentation de la vitesse de rotation du moteur. Contrôle de champ par prises La deuxième approche pour modifier le courant d'excitation dans un moteur en série est le contrôle de champ par prises. Le diagramme de connexion correspondant, qui illustre les connexions électriques et composants spécifiques impliqués dans cette méthode, est présenté ci-dessous.

Dans la méthode de contrôle de champ par prises, les ampères-tours sont ajustés en modifiant le nombre de tours actifs de champ. Cette configuration particulière est hautement applicable dans les systèmes de traction électrique. En manipulant le nombre de tours de champ, le flux magnétique généré par l'enroulement de champ du moteur est modifié, permettant un contrôle précis de la vitesse du moteur.

La courbe caractéristique vitesse-couple d'un moteur en série, qui illustre graphiquement la relation entre la vitesse de rotation du moteur et le couple qu'il peut produire sous diverses conditions de fonctionnement, est illustrée ci-dessous. Cette courbe fournit des informations précieuses sur les capacités de performance du moteur lorsqu'on utilise la méthode de contrôle de champ par prises, aidant les ingénieurs et techniciens à comprendre comment le moteur répond aux changements de charge et de réglage de vitesse.

Avantages du contrôle du flux magnétique
La méthode de contrôle du flux magnétique offre plusieurs avantages notables, comme indiqué ci-dessous :

• Facilité d'utilisation : Cette approche est simple et conviviale, facilitant une mise en œuvre et une exploitation faciles.

• Faible perte de puissance : Étant donné que le champ en dérivation a généralement un faible besoin en courant, la puissance dissipée dans le champ en dérivation reste minimale, contribuant à une efficacité globale améliorée.

• Mécanisme d'augmentation de vitesse : En raison de la saturation du noyau ferrique dans le circuit magnétique, le flux magnétique ne peut généralement pas être augmenté au-delà de sa valeur normale. Par conséquent, le contrôle du flux magnétique se concentre principalement sur l'affaiblissement du champ, ce qui entraîne effectivement une augmentation de la vitesse de rotation du moteur.

• Plage d'application contrôlée : Cependant, il est important de noter que cette méthode est applicable uniquement dans une plage restreinte. Un affaiblissement excessif du champ peut conduire à une instabilité dans le fonctionnement du moteur, limitant son utilisation à des scénarios spécifiques où un contrôle précis et une stabilité sont essentiels.