Moteur à courant continu 1. Schéma fonctionnel Le moteur est
publicité
Moteur à courant continu 1. Schéma fonctionnel énergie électrique fournie Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique énergie mécanique utilisable moteur à courant continu Le moteur est alimenté en énergie électrique : différence de potentiels U et courant I continus, l’énergie utilisable est mécanique (rotation), elle est caractérisée par le couple utile et la vitesse . 2. Définitions Couple : Le moment d’un couple de forces est la somme des moments de chaque force, on ne fait pas la distinction entre le terme moment et le terme couple et on parle du couple moteur. La somme des couples de forces qui agissent sur le rotor d’un moteur est appelée couple électromagnétique en N.m (Newton mètre). Chaque enroulement du rotor produit un couple. Vitesse : Elle est exprimée en tour par minute (n en tr/min) ou en radian par seconde ( en rd/s). La relation entre et n est donnée par : 2π 60 Puissance : On appel puissance utile du moteur la valeur Putile Ω Avec : o P en W o en N.m o en rd/s Ω(rd/s) n(tr/min) 3. Constitution Le stator ou inducteur est la partie fixe du moteur, c’est cette partie qui permet la création du flux d’induction. Ce flux peut être créé soit par un aimant permanent, soit par les enroulements d’inducteur qui devront être alimentés. Le rotor ou induit est la partie mobile du moteur, les enroulements d’induit sont bobinés dans des encoches, ils sont alimentés par le collecteur sur lequel viennent frotter des balais, généralement en graphite, installés sur la partie fixe du moteur. 4. Loi de Laplace : Un conducteur de longueur L parcouru par un courant I et placé dans un champ magnétique B est soumis à une force F telle que : F IL B B en tesla (T) F en newton (N) I en ampère (A) L en mètre (m) 5. Principe de fonctionnement Le schéma de principe représente une spire du bobinage d’induit, cette spire est placée dans un champ magnétique B et elle est parcourue par un courant I, elle est donc soumise à une force de Laplace F. Le couple de forces qui s’exerce sur la bobine produit la rotation de celleci. La spire étant alimentée par le dispositif balais-collecteur, le sens du courant dans la spire s’inverse à chaque demi-tour ce qui permet de conserver le sens de rotation. Définitions o La somme des moments des couples est appelée couple électromagnétique. o Un moteur à courant continu peut tourner dans les deux sens de rotation o Le champ magnétique peut être créé par un aimant permanent ou par des bobinages qu’il faut alimenter. o Un moteur à courant continu est une machine réversible, il peut fonctionner en génératrice (dynamo). Relations o On appel E en volt (V), la somme des forces électromotrices (f.e.m.) qui sont créées dans chacune des spires alimentées. o On appel I en ampère (A), la somme des courants parcourant les spires de l’induit. o On appel en weber (Wb), le flux créé par le stator (le flux du champ magnétique uniforme B au travers d’une surface S est S B n ou n est le vecteur unitaire normal à la surface S). o On appel en newton mètre (Nm), le couple électromagnétique disponible sur l’arbre moteur. Il vient : E K Ω K est une constante fonction du moteur K I (nombre de spires, nombre de bobines) De ces deux expressions on tire : EI Ω Le produit E I est appelé puissance électromotrice en Watt (W). 6. Schéma équivalent, modèle Le circuit équivalent de l’induit se modélise sous deux formes : o En régime non établi Ce schéma électrique conduit à l’équation de maille suivante : U(t) L o di(t) E(t) R i(t) dt En régime établi (le courant i est constant) En régime permanent le terme di(t) 0 dt donc U(t) E R I 7. Puissances, rendement o Puissance absorbée : c’est la somme des puissances absorbées dans l’induit et dans l’inducteur o Dans l’induit Pinduit Uinduit Iinduit o Dans l’inducteur Pinducteur Uinducteur Iinducteur il faut noter que cette puissance est nulle dans le cas d’un moteur à aimant permanent o Pertes o Les pertes par effet Joule dans l’induit et l’inducteur PJinduit R I2 Pinducteur Uinducteur Iinducteur la puissance absorbée dans l’inducteur est dissipée en chaleur. o Les pertes mécaniques dues aux frottements o o Les pertes électromagnétiques dues aux courants de Foucault et à la saturation magnétique. o Puissance utile : c’est la puissance mécanique sur l’arbre moteur Putile u Ω Rendement Le rendement est donc : η = Putile Γu × Ω = Pfournie Pinducteur + U × I 8. Caractéristiques moteur à courant continu. 0 représente la vitesse du moteur sans charge pour le courant à vide, n est la vitesse en charge pour le courant nominal d représente le couple de démarrage, 0 est la vitesse à vide. Le couple (F, F) est obtenu au point de fonctionnement du moteur lorsque le couple moteur est égal au couple résistant. Exemple : REFERENCE DU MOTEUR: 82840 9. Alimentation Rappels : o La vitesse de rotation est fonction de la tension d’alimentation du moteur. o Le couple est fonction du courant dans le moteur. o Le sens de rotation est fonction de la polarité de l’alimentation. o Le moteur peut fonctionner en génératrice. Il est possible de représenter la tension aux bornes du moteur en fonction du courant consommé. Cette représentation est possible dans les quatre quadrants du repère orthonormé U = f(I) : dans les quadrants Q1 et Q2 la d.d.p. aux bornes du moteur et le courant dans celui-ci sont de même signe, le moteur est alimenté en énergie électrique, il fournit une énergie mécanique (fonctionnement moteur).dans les quadrants Q3 et Q4, le moteur récupère de l’énergie mécanique et délivre de l’énergie électrique à un récepteur. U U.I < 0 Générateur U = K.j .W G I= K.j U.I > 0 Moteur Q4 Q1 I Q3 Q2 U.I > 0 Moteur U.I < 0 Générateur Alimenter un moteur à courant continu c’est lui fournir l’énergie électrique qui sera convertie en énergie mécanique, permettre sa rotation dans les deux sens et éventuellement assurer le contrôle des paramètres couple, vitesse de rotation, … On distinguera deux modes d’alimentation, l’alimentation avec et sans régulation. o Alimentation sans régulation. o Le moteur peut être alimenté par un générateur de tension, la vitesse de rotation est en relation avec cette tension. o Le moteur peut être alimenté par un générateur de courant, le couple moteur est alors en relation avec ce courant. o Pour inverser le sens de rotation sans débrancher le moteur on utilise un montage de type « pont en H », dont le schéma de principe est le suivant : Lorsque les interrupteurs K1 et K2 sont fermés, Um = Vcc >0, Im > 0, le moteur tourne dans un sens (figure A). Lorsque les interrupteurs K3 et K4 sont fermés, Um = - Vcc, Im < 0, le moteur tourne dans l’autre sens (figure B). En pratique les interrupteurs peuvent être des relais électromagnétiques, des transistors bipolaires ou Mos (dans le cas des montages à transistors on ajoutera des diodes de « roue libre » pour limiter les pics de tension inverse lors du blocage des transistors). o Alimentation avec régulation. o La vitesse est mesurée soit par un codeur numérique comptant un nombre d’impulsions par tour et par unité de temps (capteur optique, capteur à effet Hall, ILS, …). Soit par dynamo tachymétrique qui délivre un signal analogique représentatif de la vitesse. o L’intensité consommée par le moteur est mesurée en permanence, on utilise en général une résistance shunt de très faible valeur placée en série dans le circuit d’alimentation. La tension aux bornes de cette résistance est l’image du courant dans le moteur, il est alors possible de procéder à un traitement analogique ou numérique de cette grandeur pour assurer la régulation du courant moteur. o Alimentation par modulation de largeur d’impulsion (MLI). Ce mode d’alimentation en énergie du moteur permet de faire varier sa vitesse de rotation. Le moteur est alimenté en tout ou rien par un signal périodique et c‘est la variation du rapport cyclique de ce signal qui assure la variation de vitesse. En première approche on peut considérer le moteur équivalent à une self L : La tension aux bornes de cette self peut s'exprimer par : dIm(t) Um(t) L , donc : dt 1 Im(t) Um(t).dt L
