Moteurs Électriques : Fonctionnement et Types de Moteurs CC

Classification des moteurs électriques

Les moteurs électriques peuvent être classés en fonction du courant utilisé : moteurs à courant continu, moteurs à courant alternatif et moteurs universels (utilisés pour les deux types de courant).

Les moteurs à courant continu sont classés par type d'excitation : indépendante, série, shunt (dérivation), compound (composé) et à aimants permanents (champ magnétique produit).

Les moteurs à courant alternatif sont classés en fonction de la vitesse (synchrone, asynchrone), du type de rotor (bobiné ou à cage d'écureuil en court-circuit) et du nombre de phases (monophasé avec enroulement auxiliaire et condensateur, universel, et triphasé).

Moteurs à courant continu (CC)

Constitution d'un moteur CC

Les moteurs à courant continu (CC) sont fondés sur les principes de la force électromagnétique induite par la force électromotrice. La machine se compose principalement d'un inducteur et d'un induit :

• Inducteur : Sa mission est de créer le champ magnétique. Il est logé dans la partie fixe ou stator du moteur. L'inducteur est formé par des bobines de fil de cuivre placées autour d'épanouissements polaires en matériau ferromagnétique, traversées par un courant électrique. Il peut également être constitué d'aimants permanents.
• Induit : Sa mission est de créer des champs magnétiques opposés. Il s'agit de fils de cuivre disposés en bobines. Ces bobines sont logées dans les encoches d'un paquet de tôles cylindriques en matériau ferromagnétique, solidaire de l'axe de rotation, constituant la partie mobile ou rotor de la machine.

Le début et la fin des différentes bobines sont connectés électriquement aux lames d'un collecteur en cuivre, qui tourne avec l'arbre. Les lames sont les parties isolées les unes des autres en lesquelles le collecteur est divisé. Pour introduire le courant dans les conducteurs de l'induit, on utilise des balais (ou charbons), qui sont des blocs de graphite en contact glissant avec les lames du collecteur, reliant ainsi le circuit externe à l'intérieur de la machine.

Types de moteurs à courant continu

Pour faire fonctionner un moteur à courant continu, un circuit inducteur et un circuit d'induit sont nécessaires. Selon la manière dont ils sont connectés, on obtient différents types de moteurs :

• Le moteur à excitation séparée : L'enroulement d'induit (A, B) et l'enroulement d'excitation (J, K) sont alimentés par des sources de tension différentes et indépendantes. Le flux et l'intensité restent constants.
• Le moteur en dérivation (shunt) : L'enroulement d'excitation (C, D) est connecté en parallèle sur la même source de tension que l'induit (A, B).
• Le moteur série : L'inducteur (E, F) est branché en série avec l'induit (A, B), ce qui implique que le flux magnétique varie avec la charge.
• Le moteur compound (composé) : Il combine les excitations série et shunt (montage long ou court).

Caractéristiques de fonctionnement

Les caractéristiques de fonctionnement des moteurs à courant continu dépendent du type d'excitation et fournissent des informations sur le comportement du moteur lors du fonctionnement dans certaines conditions. Les plus importantes sont la vitesse n = f(I), le couple M = f(I) et la caractéristique mécanique M = f(n).

• Moteur en dérivation (shunt) :
  • a) Caractéristique de vitesse : n = f(I_i)
  • b) Caractéristique de couple : M_i = f(I_i)
  • c) Caractéristique mécanique : M = f(n)
• Moteur série :
  • a) Caractéristique de vitesse : n = f(I_i)
  • b) Caractéristique de couple : M_i = f(I_i)
  • c) Caractéristique mécanique : M = f(n)

Démarrage des moteurs CC

La première phase de fonctionnement d'un moteur et de sa charge est le démarrage. Pour démarrer, nous pouvons agir sur la tension appliquée au moteur ou sur la résistance du circuit d'induit. L'option la plus couramment utilisée, car elle cause le moins de dommages, consiste à insérer une résistance de démarrage (appelée rhéostat de démarrage) en série avec l'induit. À mesure que le moteur accélère, la force contre-électromotrice augmente et le courant diminue. Une fois le démarrage terminé, on élimine progressivement cette résistance.

Régulation de la vitesse

La régulation de vitesse est destinée à maintenir une vitesse prédéfinie. Si nous voulons régler la vitesse, nous pouvons agir sur la tension ou sur le flux magnétique. Nous pouvons agir sur la tension appliquée par l'une de ces méthodes :

• L'insertion d'une résistance en série avec l'induit (régulation par résistance).
• La variation de la tension d'alimentation (régulation par contrôle de tension).

Si nous agissons sur le flux, nous réglerons le courant d'excitation en connectant un rhéostat qui, selon le type de moteur, sera branché d'une manière ou d'une autre.

Inversion du sens de rotation

Les moteurs électriques peuvent fonctionner dans les deux sens de rotation en modifiant les connexions de l'induit par rapport à l'inducteur. Le couple moteur dépendant du champ magnétique et du sens du courant dans les conducteurs de l'induit, il suffit d'inverser les connexions soit de l'inducteur, soit de l'induit. Si le changement a lieu lorsque la machine est à l'arrêt, il est recommandé de modifier les connexions de l'induit. Si l'inversion est effectuée en marche, il est nécessaire de modifier les connexions de l'induit, car si l'on modifiait l'excitation, le moteur se retrouverait temporairement sans flux (risque d'emballement). Avant de procéder à l'inversion, il est essentiel de réinsérer toute la résistance du rhéostat de démarrage.

Freinage des moteurs CC

Dans de nombreuses applications, il est nécessaire d'arrêter ou de ralentir le moteur plus ou moins rapidement. Le freinage des moteurs à courant continu est basé sur le principe de réversibilité de ces machines. Au moment du freinage, le moteur commence à fonctionner comme une génératrice, ce qui inverse le sens du couple. Ce type de freinage est connu sous le nom de freinage électrique, qui peut être réalisé de deux manières :

• Freinage dynamique (rhéostatique) : l'énergie générée en fonctionnant comme une génératrice est dissipée dans des résistances de freinage, qui sont souvent les mêmes que celles utilisées pour le démarrage.
• Freinage par récupération : l'énergie électrique produite est renvoyée vers la ligne d'alimentation.