Moteurs à courant continu : principes et commande

A Analyser
: A2 Analyser le système
Composants réalisant les fonctions de la chaîne d’énergie :
S.I
1
ère
/ Tle
Identifier les composants
réalisant les fonctions
:
Alimenter, Distribuer, Convertir, Transmettre
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I. Vocabulaire
Une machine électrique qui consomme de l'énergie électrique est appelée : Moteur
Une machine électrique qui fournit de l'énergie électrique est appelée : Génératrice
Rotor : Partie centrale tournante
Stator : Ensemble statique du moteur
II. Création d'une force électromagnétique
Champ magnétique et symboles électriques :
• Moteurs de petite et moyenne puissance (quelques centaines de watts au maximum).
Le champ magnétique est créé par un ou plusieurs aimants permanents fixés sur le
stator.
• Moteurs de forte puissance. Le champ magnétique est créé par des électro-aimants
(bobines) fixés sur le stator. Ces électro-aimants, ou plus communément bobines
inducteurs ou inducteurs, nécessitent une alimentation séparée.
I
B
F
Les 2 forces ainsi créées entraînent le rotor en rotation (création
d'un couple de forces F1, F2 sur le rotor). Le moteur tourne.
Rq 1: Une alimentation en tension continue U entre 1 et 2
permet de faire circuler un courant I. U est la tension
d'alimentation du moteur pour les moteurs à aimants
permanents.
Rq2 : L'ensemble des conducteurs du rotor est appelé induit,
car sous l'induction des pôles magnétiques du stator.
F1
F2
Fig 1
Force
F
Courant
Champ
B
I
Un conducteur parcouru par un courant I et traversé
par un champ magnétique B donne naissance à une
force F ( dF = I.d
l ∧ B : formule de LAPLACE)
Règle des trois doigts de la main droite.
Pour connaître le sens de la force, on place l'index
dans le sens du courant et le majeur dans le sens du
champ magnétique; le pouce donnera la direction de la
force.
M
Induit
Inducteur
M
Induit
F1
Fig 1
F2
Convertir l’énergie
Energie
électrique
Energie
mécanique
Moteur électrique

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III. Création d'une force contre-électromotrice E
De plus, le déplacement des conducteurs du rotor (induit) parcourus par un courant I dans un champ
magnétique B donne naissance à une tension E qui s'oppose au passage du courant et qui est appelé force contre
électromotrice.
Avec K : constante
Ω
: vitesse de rotation du rotor en rd/s
Note : Ω = 2.П.N/60 avec N en trs /min
L'induit est alors assimilé à une source de tension E en série avec une résistance R (résistance des conducteurs
mesurée à chaud et à l'arrêt).
Modèle électrique équivalent du moteur :
Si l'on remplace E par K.Ω (E = K.Ω) dans l'équation précédente :
R.I
E
R
U
2
1
I
U = E + RI
U est la tension d'alimentation du moteur
Ω
E
E = K.
Ω
Moteur
La vitesse de rotation est fonction de la tension d'alimentation du moteur.
Si U > 0 alors Ω > 0
Si U < 0 alors Ω < 0
Si U alors Ω
Si U alors Ω
Le signe de la tension d'alimentation de l'induit permet de choisir le
sens de rotation du moteur.
Plus la tension d'alimentation du moteur (de l'induit) est grande et
plus la vitesse de rotation est importante.
Plus la tension d'alimentation est faible et plus la vitesse de rotation
est petite.
L'inversion du sens de
rotation provoque une
inversion de la tension
Ω =
U
-
RI
K

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IV. Couple et puissance
Le couple du moteur est lié au courant par la relation :
Avec K : constante
I : Courant d'induit en Ampères
C
m
: couple sur l'arbre du moteur en Newton.mètre :N.m (noté Tm : Torque en anglais)
La puissance mécanique et la puissance électrique sont liées par la relation suivante :
Unité : Watts
V. Rendement et bilan des puissances
Le rendement noté η donne une information sur l'optimisation du transfert d'énergie.
η = 0 < η < 1 Plus η est proche de 1 plus la machine se rapproche de la
perfection.
La puissance perdue l'est dans :
• La résistance d'induit par effet joule (chaleur) Rm.I
2
• Les frottements mécaniques
• Le circuit magnétique
C
m
= K.I
I
Cm
L'inversion du courant provoque une inversion
du couple
Pm = C
m
.Ω = (K.I) . E = E.I
K
M
Pa
Puissance électrique
absorbée
Pm (ou Pu)
Puissance mécanique fourni sur l'arbre moteur,
c’est la puissance utile
Pm
(ou Pu)
Pa
Puissance
absorbée :
Pa = U.I
Puissance électromécanique
(transmise au rotor):
Pem = Pa -Pj
Pertes Joule :
pj = R.I
2
Puissance utile Pu =Pm ≈ Pem
(pui. méca disponible pour entraîner
la charge) : Pm = C
m
.Ω = E.I
Pertes mécaniques
Pertes magnétiques
≈ 0
Ces pertes sont négligeables
Rendement :
η = Pu / Pa
η ≈ Pm / Pa

Composants réalisant les fonctions de la chaîne d’énergie
Point de fonctionnement
VI. Réversibilité et quadrant
• Le MCC est réversible :
de moteur il peut devenir générateur
• Le repère vitesse –
couple (ou tension
MOTEUR
Énergie
électrique
Énergie
mécanique
L’induit est alimenté en énergie électrique (U et I)
le moteur tourne (Ω
) et fournit un couple (C).
Cu (N.m)
U=U1
U=U2
Ω
C
0
Pa = U.I > 0
U = E + R.I
U.I = E.I + RI2
Pa = Pm + Pj donc
Sens 1
Sens 2
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Composants réalisant les fonctions de la chaîne d’énergie
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réalisant les fonctions
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de moteur il peut devenir générateur
:
Pa < 0 (U et I sens contraire)
couple (ou tension
–
courant) délimite 4 quadrants de fonctionnement
P
oint de
fonctionnement pour U = U1
Cu = C
0
= C
R
et
C
R
est le couple résistant
mécanique
GENERATRICE
Énergie
mécanique
L’induit est alimenté en énergie électrique (U et I)
→
) et fournit un couple (C).
La machine est entraînée mécaniquement (C et
→
le moteur fournit de l'énergie électrique (
Ω (rad/s)
Cr (en N.m) imposé par la charge (ici : Cr
Ω
0
Pa = Pm + Pj donc
Pm > 0
Pa = U.I
U = E
U.I =
Pa = Pm
C. Ω < 0
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Pa < 0 (U et I sens contraire)
courant) délimite 4 quadrants de fonctionnement
: Pm = E. I = C . Ω
fonctionnement pour U = U1
:
et
Ω=Ω
0
est le couple résistant
GENERATRICE
Énergie
électrique
La machine est entraînée mécaniquement (C et
Ω
)
le moteur fournit de l'énergie électrique (
U et I)
= a. Ω
2
)
Pa = U.I
<
0
U = E
- R.I
U.I =
E.I - RI
2
Pa = Pm
- Pj donc Pm < 0
C. Ω < 0

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VII. Circuit de commande d'un moteur à courant continu.
1) Commande d’un moteur à courant continu à partir de relais
Relais 1 Relais 2 Vm Etat Remarque
Off Off 0 Arrêt
La tension induite Em par l’inertie du moteur est appliquée sur la
résistance Rm. Le moteur n’est plus alimenté et l’énergie cinétique
du moteur est dissipée en chaleur dans la résistance du bobinage
⇒ le moteur est freiné.
Off On 36 Sens
direct
On Off -36 Sens
inverse
On On 0 arrêt
36V
Rm
Em
Relais 1
Relais 2
MOTEUR
Vm