Performance moteur shunt a courant continu

Moteur shunt

 Démarrage

•  Problèmes du démarrage

Pour assurer le démarrage d’un moteur, on doit se poser les deux questions suivantes:
         -Le couple moteur est-il suffisant pour vaincre le couple résistant?
         -L’intensité appelé au moment du démarrage n’est-elle pas trop élevée?
Le problème du couple suffisant au démarrage est toujours résolu avec le moteur shunt, on est
simplement amené à limiter la valeur du courant appelé. Si l’on ne prend pas de précaution
spéciale en appliquant la tension nominale à un moteur au repos, l’appel de courant Id est
forcément très élevé, car le moteur étant arrêté, sa f.c.é.m. est nulle.

En effet, si l’on admet que la chute de tension en charge est de deux pour cent, on a:

               Ra In ≈U / 50         etR0I0= U,             soit:            I0/ In ≈50

Une telle surintensité entraînerait la destruction de l’induit. Pour la limiter, on pourrait réduire
la tension d’alimentation. Malheureusement, cette solution, qui est utilisée dans le groupe
Léonard, n’est pas possible si la tension d’alimentation est fixe. Dans ce cas on est obligé
d’utiliser un rhéostat de démarrage.

•  Branchement du rhéostat de démarrage

Le branchement d’un rhéostat de démarrage (fig.1) doit être effectué avec certaines
précautions. Le rhéostat porte trois bornes désignées par les lettres L, E, M.

Pour alimenter l’inducteur, il suffit de relier E1à I1au moyen d’une barrette sur la plaque à
bornes, puis de relier E2àE, car la connexion intérieure au rhéostat met Een liaison avec le
premier plot; le moteur est ainsi excité dès que la manette prend contact avec ce plot, c’est-à-
dire avant le démarrage.

Le moteur est mis en route en manoeuvrant la manette, celle-ci étant maintenue sur le dernier
plot par l’attraction d’un électro-aimant inséré dans le circuit de l’inducteur. Pour arrêter le
moteur, il suffit d’ouvrir l’interrupteur K; le courant étant coupé dans l’induit et dans
l’inducteur, la manette est rappelée par un ressortspiral sur le plot mort, ce qui remet le
rhéostat dans les conditions de démarrage.


Démarrage manuel avec un rhéostat de démarrage : a) Schéma principal ; b) Schéma des résistances du rhéostat de démarrage ; c) Caractéristiques de démarrage
Fig. 1

Il est important de signaler le fait suivant:

                    Un moteur shunt dont l’excitation est coupée s’emballe.

En effet, en marche normale, on a:

                 U = E’ + RaIa ≈E’ = p/a n N Φ,        puisque RaIa ≈U/50
d’où:
                                   N ≈U / Φ          et  si          Φ →0, N → ∞

C’est pour éviter cet inconvénient grave en cas de rupture accidentelle du circuit d’excitation,
que l’électro-aimant est alimenté par l’intermédiaire du circuit d’excitation. Enfin, il est
important de noter:

                    L’excitation du moteur shunt doit être maximale au démarrage.

En effet, comme le couple est proportionnel au courant de l’induit et au flux inducteur, on
aura un appel de courant plus faible si le flux est maximal. C’est pourquoi, avant le
démarrage, on doit s’assurer que le rhéostat de champ est en court-circuit.

Il est important de noter que, pour réaliser de bonnes conditions de démarrage d’un ensemble
moteur et machine entraînée, il est nécessaire de déterminer les durées de démarrage sur les
différents plots en tenant compte de la caractéristique de la machine entraînée.

La protection du moteur contre tout échauffementexcessif est assurée par un relais thermique
qui se présente sous la forme d’une bilame.

Le démarrage d’un moteur peut s’effectuer manuellement ou (semi-)automatiquement. Le
schéma du démarrage semi-automatique, comportant des contacteurs et des relais
électromagnétiques, fait partie d’un travail pratique. Ici il faut noter que dans l’industrie, on a
tendance à remplacer de plus en plus les relais électromagnétiques par des relais statiques
(électroniques). Ils présentent des avantages suivants: les armoires de commande sont avec
dimensions réduites, le fonctionnement est moins bruyant, les coûts d’installation sont moins
élevés, etc.

Variation de la vitesse

Le moteur shunt a, sur les moteurs à courant alternatif, l’avantage d’être très souple car on
dispose de plusieurs procédés pour faire varier sa vitesse.

Si on retourne à l’expression générale de la vitesse, on a:

               n = (U - RI) / K Φ            avec:         R = Ra + Rh

Dans ces conditions on constate qu’il y a trois paramètres (Rh, Φ, U) qui peuvent être réglés.
Cela donne trois possibilités suivantes :

•  Réglage rhéostatique

Comme le flux Φest constant, car on a toujours intérêt à faire fonctionner le moteur avec le
flux maximal qu’il peut délivrer, on a:

              n = (U - RI) / K Φ= K’ (U - RI)             T = k I Φ= k’ I

Ainsi les caractéristiques n (I) représentent à une échelle convenable les caractéristiques n (T).
Il est facile de l’obtenir en représentant les intersections avec les axes de coordonnées
(fig.2.11a), soit:

Pour      T = 0, I = 0, n = K’ U;        pour         n = 0, I = U / R, T = k’ U / R

Ce type de réglage a l’avantage d’être simple à réaliser, mais représente de graves
inconvénients aussi bien sur le plan technique que sur le plan économique. En effet, du point
de vue technique, on constate que les caractéristiques sont de plus en plus tombantes.











Fig. 2

Il résulte que, pour une charge entraînée à couple résistant constant la chute de vitesse dépend
de l’importance de la charge. On traduit ce résultat en disant que la caractéristique qui était
shunt, prend alors une allure série. Sur le plan technique, nous retiendrons le résultat suivant:

Un bon réglage de vitesse doit provoquer le déplacement des caractéristiques parallèlement
à la caractéristique d’origine.


Par ailleurs, ce réglage est également mauvais sur plan économique car la consommation
d’énergie dans le rhéostat est d’autant plus importante que la chute de vitesse réclamée est
plus élevée. C’est ainsi qu’à la demi-vitesse, le rhéostat consomme autant d’énergie que le
moteur.

En conséquence, ce réglage n’est utilisé dans la pratique pour le fonctionnement en régime
permanent, toutefois il demeure intéressant pour les régimes transitoires comme le démarrage
et le freinage.

•  Réglage par le flux

Le démarrage d’un moteur shunt doit toujours être assuré avec le flux maximal(ou flux
nominal) et la vitesse normale du moteur étant atteinte quand la tension nominale est
appliquée aux bornes de l’induit.

Dans ces conditions, on n’a pas la possibilité d’augmenter le flux, on peut seulement le
réduire en diminuant le courant Jd’excitation par l’intermédiaire d’un rhéostat de champ. Si
l’on se réfère à la relation de base, on constate que la diminution du flux a pour effet
d’augmenter la vitesse (fig.2b).

Il est alors évident qu’on n’a pas intérêt à réduire simultanément le flux et la tension car les
deux effet sont opposés. C’est pourquoi le réglage du flux aura toujours lieu avec le rhéostat
d’induit en court-circuit.

Comme la chute de tension dans l’induit est faible, soit quelques pour cent de la tension
d’induit, on a:

             n ≈U k’Φ

Dans ces conditions, la caractéristique se déplace sensiblement parallèlement à l’axe des
couples. Ce mode de réglage est donc très satisfaisant du point de vue technique. Il est
également bon du point de vue économique car la puissance dissipée dans l’inducteur est
faible par rapport à la puissance absorbée et le rendement du moteur ne sera sensiblement
modifié.

En dehors de ces avantages, il faut noter deux inconvénients:
•  Avec ce procédé on ne peut qu’augmenter la vitesse du moteur par rapport à sa
vitesse nominale;

•  Si le couple résistant est constant (Tm= k I Φ= Cte), l’intensité augmentera quand
on diminuera le flux et le moteur risquera de chauffer.

Le deuxième inconvénient n’a pas lieu si l’entraînement est à puissance constante (P = U I = Cte).
 Pour une tension constante le courant reste constant.

En conséquence, avant d’utiliser ce mode de réglage, il faut s’assurer que le moteur est en
mesure de supporter mécaniquement la vitesse maximale et que la température de son induit
ne risque pas de dépasser la valeur admissible. Pour ces deux raisons, la plage de réglage reste
assez limitée (soit de un à trois fois la vitesse nominale).

•  Réglage par la tension

On règle le flux à sa valeur maximale en mettant en court-circuit le rhéostat de champ afin
que le courant absorbé par l’induit soit minimal. Ainsi obtient-on la caractéristique à tension
nominal (fig.2c). L’excitation n’étant pas modifiée, si l'on applique à l’induit des tensions
de plus en plus faibles, on obtient une famille de caractéristiques parallèles.

Ce mode de réglage, qui permet de réduire à volonté la vitesse d’un groupe (moteur et
machine entraînée), est excellent d’une part du point de vue technique car les caractéristiques
ne sont pas déformées (elles conservent leur allure shunt), d’autre part le rendement demeure
élevé à toutes vitesses.

Le seul inconvénient de ce procédé idéal est la nécessité d’une tension continue réglable. Pour
produire cette tension, on utilise soit un convertisseur mécanique, soit un convertisseur
électronique.

Freinage

Dans les nombreuses applications (traction, engins de levage, etc.) le problème du freinage est
important. Certes, on peut toujours faire appel à des systèmes mécaniques, mais ceux-ci sont
généralement complexes et les organes de freinage (patins, etc.) s’usent rapidement.
C’est pourquoi, on préfère utiliser une solution électrique qui consiste à transformer en
énergie électrique l’énergie cinétique du moteur et de la machine entraînée. Le moteur étant
alors transformé en génératrice, le couple électromagnétique de la machine est un couple
résistant de freinage.

Suivant la façon dont on utilise l’énergie électrique de freinage, on distingue les trois types de
freinage suivants:

•  Freinage rhéostatique

L’énergie est alors dissipée dans un rhéostat (fig.3a). A cet effet, l’inducteur restant
branché sur la ligne (alimentation à tension constante), on débranche l’induit et on le fait
débiter dans un rhéostat en mettant l’interrupteur dans la position (2). Le courant débité est
donné par la loi d’Ohm, I = E / (Ra+ Rh), où Rhest la résistance de rhéostat d’absorption.

Le couple de freinage est proportionnel à l’intensité (T = K Ia Φ= K’ Ia), puisque le flux est
constant, mais la f.é.m. de la dynamo diminue au fur et à mesure que la vitesse décroît. Ainsi,
pour maintenir un couple de freinage suffisant, on doit diminuer progressivement la résistance
du rhéostat.



















Fig. 3 

Ce procédé est très simple, mais il ne peut suffire à stopper la machine. En effet, comme la
résistance du circuit ne peut pas descendre au-dessous de Ra, l’intensité et le couple
deviennent presque nuls quand la vitesse est faible. C’est pourquoi, on doit ajouter à ce
système un dispositif de blocage mécanique.

•  Freinage à contre-courant

Le freinage rhéostatique a l’inconvénient de ne pas être assez efficace pour les applications
(engins de levage, etc.) qui nécessitent parfois un arrêt brutal du déplacement de la charge.
Dans ce cas, on lui préfère le freinage à contre-courant (fig.3b). Il consiste à renverser le
courant dans l’induit, en croisant les deux bornes de son alimentation, tout en maintenant le
sens du courant dans l’inducteur.

Une telle opération ne peut se faire que si l’on insère un rhéostat Rh dans le circuit de l’induit.
En effet, comme la f.é.m; de la génératrice ajoute son effet à la tension d’alimentation,
l’énergie globale fournie étant dissipée dans le rhéostat, on a:

                   I = (U + E) / (Ra+ Rh)     ,      avec     T = k I Φ

Il est ainsi possible de régler le couple de freinage en modifiant l’intensité  I par
l’intermédiaire du rhéostat. Si l’on compare ce procédé au précédent, on constate que le
contrôle est beaucoup plus souple, mais qu’il est encore moins économique. En effet, non
seulement l’énergie de freinage n’est pas récupérée, mais aussi le réseau continue à fournir de
l’énergie durant le freinage. De plus, on doit s’assurer que l’alimentation est coupée dès que
le moteur s’arrête car, sans cette précaution, celui-ci se remettrait en marche dans le sens
inverse.

•  Freinage par récupération

Ce procédé, qui est très séduisant, n’est pas simple à réaliser. En effet, si l’on considère le
circuit équivalent d’une réceptrice (fig.3c), on constate une certaine symétrie entre la
tension Udu réseau et la f.c.é.m. E’du moteur. Pour que la f.c.é.m. E’se transforme en f.é.m.
E, il faut que celle-ci soit supérieure à la tension d’alimentation. Dans ces conditions, le
courant dans la machine change de sens, ce qui a pour effet de changer le sens du couple
électromagnétique. Comme le sens de rotation n’a pas changé, le couple ainsi exercé a pour
effet de la freiner.

Pour obtenir ce résultat, on a les deux possibilités suivantes:

•  Fonctionnement à tension constante. La condition E > Une peut être réalisée que
si la vitesse du groupe augmente légèrement (fig.3d). Ce procédé encore appelé
freinage en sur vitesse est utilisé en traction de montagne dans les descentes.

•  Fonctionnement à tension réglable. Alors que le procédé précédent a des
applications limitées, car il n’est pas possible de réduire la vitesse du moteur, il en
est tout autrement si l’on dispose d’une tension réglable. En effet, en réduisant cette
tension au fur et à mesure que le groupe ralentit, on pourra maintenir la condition
U < E même aux plus basses vitesses. Ce procédé, qui présente une très grande
souplesse a malheureusement l’inconvénient de nécessiter un groupe convertisseur
mécanique ou électronique.

Inversion du sens de la marche

Pour inverser le sens de rotation, il faut inverser le courant soit dans l’inducteur, soit dans
l’induit, c’est-à-dire modifier les connexions entre l’inducteur et l’induit. Pour certaines
applications (laminoirs, etc.), cette inversion du sens de rotation doit être précédée par un
freinage rapide du moteur. Dans ce cas la meilleure solution considère à utiliser un groupe
convertisseur mécanique ou électronique.




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