Commande des machines à courant continu (mcc) à vitesse variable

La machine à courant continu – à collecteur mécanique – (mcc), après avoir longtemps occupé une place dominante au sein des systèmes électromécaniques à vitesse variable, est en forte régression. Son succès, qui lui permet toujours d’occuper quelques niches sur le marché, est dû à la grande simplicité de son alimentation électronique et de sa commande comparativement à celles de ses concurrentes, les machines à commutation électronique (mce) ou sans balais (synchrones, asynchrones, à réluctance variable...).

Cet article pourrait sembler, a priori, désuet mais, outre le fait qu’il existe encore de nombreuses mcc à vitesse variable et que l’on en conçoit encore, la description de sa commande reste une étape fondamentale, sinon pédagogiquement indispensable, dans la compréhension de celle des moteurs sans balais. En effet, dans ces machines modernes, on a, le plus souvent, cherché à reproduire le comportement des mcc, notamment grâce à une modélisation adéquate, afin de se retrouver justement dans la situation de grande simplicité qui a fait leur succès.

Les raisons de l’évolution des entraînements électromécaniques à vitesse variable vers les machines sans collecteur mécanique et les particularités qui permettent à la mcc de conserver quelques niches de marché sont les suivantes.

Le collecteur d’une mcc est un organe mécanique permettant la double fonction de commutation des courants d’induits et de leur calage par rapport au flux inducteur (autopilotage). À une époque (jusque dans les années 1980-90) où l’électronique de puissance restait très coûteuse et où le rapport puissance de calcul/coût des systèmes de commande numérique restait peu compétitif, les moteurs sans collecteur, malgré une plus grande robustesse et un plus faible coût (moteur seul), ont été destinés aux applications particulières. La plupart du temps, il s’agissait des dispositifs à très longue durée de vie, dans lesquels toute maintenance était à exclure ou/et ceux nécessitant de très grandes vitesses de rotation ou/et de hautes puissances massiques. En effet, le système balais-collecteur de la mcc, s’il permet de simplifier beaucoup l’électronique de puissance et de commande, s’use et limite sévèrement la durée des intervalles de maintenance (de l’ordre de quelques centaines à quelques milliers d’heures selon la qualité des matériaux et la sévérité des régimes de fonctionnement), il pollue également l’environnement par les poussières issues des frottements, et, d’un autre point de vue, à cause des arcs de commutations, il génère des perturbations électromagnétiques et, parfois des risques d’explosion. Enfin, à cause de son induit tournant et de son collecteur, sa limite de faisabilité dans le plan puissance vitesse de rotation est très inférieure à ce qui est possible avec les moteurs sans balais. Si on considère une limite de la vitesse périphérique de son rotor d’environ 80 m/s alors que celle des mce atteint sans grande difficulté 200 m/s, à vitesse de rotation donnée, leur puissance faisable est accrue d’un facteur 25 ou encore à puissance donnée, la vitesse maximale est multipliée par 3,5. La puissance massique est ainsi considérablement accrue : sur la base des chiffres précédents, à puissance donnée et à la vitesse de rotation maximale, elle est triplée.

En revanche, le collecteur présente l’immense avantage de permettre de simplifier l’électronique de puissance à l’extrême et, notamment d’adapter la structure aux exigences de réversibilité de l’application. Par exemple, un seul transistor de puissance permet de réaliser un hacheur série, non réversible. De même, la commande reste très simple et aucun capteur de position n’est nécessaire pour le contrôle du couple. Enfin, le couple instantané présente, assez facilement, peu d’ondulation et le contrôle précis de vitesse et de position reste aisé. C’est ainsi que la mcc conserve une place de choix dans les applications à fortes contraintes économiques comme les accessoires automobiles et l’électroménager. Mais elle a perdu sa position dominante dans les applications de traction de puissances, dans les applications de robotique et de machines-outils ainsi que dans l’industrie d’une façon générale.

Les moteurs à courant continu à collecteur, encore utilisés de nos jours, sont à inducteur bobiné ou à aimants permanents. Les premiers sont à excitation séparée ou à excitation série, c’est notamment le cas des moteurs universels très employés en électroménager. Leur alimentation est réalisée par convertisseurs à thyristors ou par gradateurs ou encore par hacheur selon la source d’alimentation ou les choix technico-économiques effectués. Il s’agit alors principalement de contrôler le courant d’induit, éventuellement le courant inducteur, grâce au réglage de la tension.

Cet article présente la modélisation des mcc et de leurs convertisseurs électroniques, les caractéristiques réalisables dans le plan couple-vitesse et notamment l’extension de la plage de vitesses grâce au régime de défluxage également recherché dans les moteurs à alimentation électronique. Certains paragraphes concernent des méthodes souvent anciennes mais qui conservent un intérêt pour la compréhension du fonctionnement des commandes de mce généralement fondées sur les mêmes principes.

Les principales propriétés des machines à courant continu en vue de leur utilisation à vitesse variable sont rappelées ici. Pour une présentation plus détaillée, le lecteur consultera l'article Petits moteurs électriques [D 3 720] du présent traité ainsi que les articles Machines à courant continu. Constitution et fonctionnement [D 3 555] et Machines à courant continu. Construction [D 3 556] du même traité.

Cet article s’insère dans une série consacrée à la commande des machines à courant continu à vitesse variable :

• Commande des machines à courant continu (mcc) à vitesse variable [D 3 610] ;

• Convertisseurs statiques pour la variation de vitesse des mcc [D 3 611] ;

• Régulations des mcc : structures générales [D 3 612] ;

• Pour en savoir plus [Doc. D 3 615].