Moteur à Courant Continue
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Moteur à courant continu Moteur à Courant Continu Introduction Le moteur à courant continu est une solution technologique possible pour réaliser la fonction ‘Convertir une énergie électrique en une énergie mécanique. Il est très utilisé pour les petites et moyennes puissances car il apporte une très grande souplesse de fonctionnement avec un encombrement minimum. Description Le moteur à courant continu dispose généralement de : ROTOR deux bornes d’alimentations, d’une partie fixe (boîtier) que l’on appelle stator ou inducteur d’une partie tournante que l’on appelle rotor ou induit. STATOR Le rotor porte les conducteurs actifs reliés aux lames du collecteur sur lesquelles frottent les balais solidaires du stator. L’enroulement porté par le rotor est l’induit. Les balais assurent la liaison électrique ( contact glissant ) entre la partie fixe et la partie tournante. Pour des raisons d’économie, ils doivent avoir une durée de vie aussi longue que possible et assurer un bon contact électrique. Différentes technologies existent : les balais au charbon dur, les graphitiques, les électro-graphitiques, et les métallo-graphitiques. On peut considérer que dans un contact glissant les pertes sont de nature mécanique à 35% et de nature électrique à 65%. Principe de fonctionnement Le schéma de principe donné ci-contre pour une spire sur le rotor permet de comprendre le fonctionnement d’un moteur à courant continu. L’inducteur à aimants permanents ou à enroulement créent un flux dans le moteur. La spire du rotor est alimentée et plongée dans ce flux. Elle est alors soumise à une force F de Laplace. Le moteur se met donc en rotation. Vu la disposition des balais et des lames du collecteur, le sens du courant I dans la spire change à chaque demi-tour, ce qui permet d’éviter la position d’équilibre. Pour inverser le sens de rotation du moteur il suffit d’inverser la polarité de son alimentation. Le moteur à courant continu est dit réversible étant donnée qu’il peut transformer une énergie électrique en énergie mécanique et inversement. 1 Moteur à courant continu Schéma Equivalent L’induit d’un moteur à courant continu peut être modélisé par le schéma ci-contre, ce schéma est composé : I UL d’une inductance L, formé par les spires de l’induit (bobine) de la résistance de ces spires d’une force électro-motrice E, qui est la somme des f-e-m de toutes les spires, lorsque l’induit est en rotation U : tension d’alimentation du moteur, en volt. I : intensité de courant absorbée par le moteur, en Ampère. T : couple moteur en N.m : vitesse de rotation en rd/s L T et U UR R E D’après ce schéma on peut poser l’équation mathématique suivante : U = E + R.I + UL En régime permanent, le courant I est constant donc UL est nul et le schéma équivalent devient donc : I UR R T et U = E + R.I U E E est proportionnelle a la vitesse du moteur et I est proportionnel au couple moteur. E=K.N T=K.I k est la constante électromécanique du moteur. Elle s’exprime en V.s/rad N : vitesse du moteur en rad/s T : couple en N.m I : ampère E : volt 2 Moteur à courant continu Bilan Energétique Le moteur n’étant pas parfait la puissance électrique absorbée par celui ci n’est pas entièrement transformé en puissance mécanique, il y a des pertes. Ces pertes sont dues : à la résistance de l’induit (et de l’inducteur pour les moteurs à inducteur bobiné), ces résistances transforment l’énergie électrique en chaleur cette énergie est donc perdue. aux frottements mécaniques qui freine le moteur. aux caractéristiques magnétiques de l’induit et de l’inducteur (pertes magnétiques appelées pertes fer) PA PJ Conversion Electrique/ Magnétique PM PEU Conversion Magnétique /Mécanique PA : PJ : PEU : Puissance absorbée Puissance perdue dans l’induit Puissance Electrique Utile PM : PF : PMU : PF PMU Perte mécanique Perte fer Puissance mécanique utile PA = PJ + PM + PF + PMU Le bilan des puissances fait apparaître le rendement d’un moteur à courant continu : = PMU / PA 3 Moteur à courant continu Caractéristiques Electrique et Mécanique Dans un problème de motorisation, la charge entraînée impose au moteur de développer un couple électromagnétique et une vitesse adaptés aux nécessités de fonctionnement. Il est donc nécessaire pour un moteur donné, de définir l’ensemble des points de fonctionnement atteignables. L’équation liée à la mécanique fait intervenir l’inertie ‘J’, la vitesse de rotation ‘(t)’, le couple moteur ‘T(t)’ et le couple résistant TR(t): J. d(t) T(t)TR(t) dt Or, en régime permanent, la vitesse est constante, donc : d(t) 0 dt d’où T(t)=TR(t) Lorsque la vitesse est constante, le couple moteur et le couple résistant sont les mêmes (point de fonctionnement). 0 est la vitesse de rotation à vide (couple résistant nul, le moteur n’entraîne aucune charge). N est la vitesse de rotation en charge nominale. A ces deux vitesses correspondent un courant à vide et un courant à charge nominale. 0 N I0 IN I TD est le couple de démarrage. Le point P est le point de fonctionnement, quand le couple moteur est égal au couple résistant. T TD TP P P 4
