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2. Moteurs à courant continu Faculté des Sciences de Tétouan Master 1 Mécatroni

2. Moteurs à courant continu Faculté des Sciences de Tétouan Master 1 Mécatronique Actionneurs électriques J Diouri, 2013 1. Fonction 2. Principe 3. Constitution 4. Équations 5. Modes d’excitation 6. Caractéristiques comparées 7. Démarrage, freinage, Variation de vitesse 8. Protection 9. Etude de cas 10. Régime dynamique et asservissement 11. Domaines et conditions d’utilisation 12. Réversibilité 2 Moteur CC puissance électrique puissance mécanique fournie par l’alimentation électrique en courant continu (puissance absorbée) disponible sur l’arbre du moteur (puissance utile) Pertes = puissance absorbée – puissance utile Pertes Joule, Pertes fer, Pertes mécaniques Nécessité d’un convertisseur AC/DC I U, I ; U B H ; ;   ) ; ) , ( , ) , ( C(Ω I U Ω I U C Lois physiques Fonctionnement nominal (conditions optimales, normales) : Tension nominale, courant nominal, courant de démarrage, couple au démarrage, vitesse nominale, puissance nominale Collecteur : deux lames servant à amener le courant et à maintenir le sens du couple La spire (longueur L, rayon R) parcourue par le courant I continu et placée dans un champ magnétique est soumise à un couple de forces de Laplace, qui la font tourner. 2 sources d’alimentation : inducteur (u, i) induit (U, I) 2 enroulements -inducteur r induit R 2 masses magnétiques -Inducteur -Induit Rôle du collecteur Source : Les bases du génie électrique, Guy Chateigner , Dunod, 2007 (B change de signe) Vue développée (Leroy Sommer) Source : Électricité au service des machines, HEIG-VD Couple θ θ Le collecteur redresse la forme sinusoïdale du couple. Même forme que pour la fcém induite On admet ici que la composante radiale moyenne du champ est une fonction sinusoïdale de la position : ) sin( max ψ θ − = p B B r r p est le nombre de paires de pôles 2 lames du collecteur (1 spire) 4 lames du collecteur (2 spires) r B C ∝ Couple : Couple : C = K × ϕ × I D’où : C × Ω = E × I Dans l’intervalle de temps dt, un conducteur actif balaye le flux d ϕ = B.l.R.dθ La fém. induite est donc e = B.l.R.Ω, Β la composante radiale de l’induction Ω=N.2π/60 fém induite fém induite E = K × ϕ × Ω Vitesse Flux par pôle Si flux constant : K × ϕ = Kϕ E = Kϕ × Ω C = Kϕ × I Nombre de conducteurs et type d’enroulement Conservation de la puissance min) / ( ) ( 60 tr n Wb Z a p E ϕ = p : nombre de paires de pôles, Z : nombre total de conducteurs actifs, 2a : nombre de voies d’enroulements. En général p=a (imbriqué) L R E U I ) ( ) ( t e dt di L Ri t u + + = Équation électrique Équation mécanique dt d J C C r m Ω = − En régime permanent, r m C C Cste Ω Cste i = ⇒ = = , R E U I − = ch d I E I ) 50 20 ( ) 0 ( − ≅ = Conséquences : Au démarrage Id énorme (N=0,E=0), fort couple au démarrage, N et E augmentent, I diminue, régime permanant. A condition d’assurer U>E et couple suffisant pour vaincre les frottements Ω0 ΩN Ω0 TS Exemple de fiche signalétique MCC L R E U Ω I Tr, Ωp Ω T I I0 IN Tp J Type de Moteur MK72 320 MK72 360 Tension nominale 5,5 V 7,5 V Vitesse à vide 3000 tr/mn 3200 tr/mn Vitesse en charge nom. 2400 tr/mn 2400 tr/mn Couple de démarrage min. 4,1 mNm 4,4 mNm Couple minimal 1 mNm 1,3 mNm Courant à vide maximal 34 mA 27 mA Courant en charge 71à 100 mA 69 à 98 mA Tension induite (fem/tr/mn) (mV/tr/mn) 1,53 à 1,98 1,91 à 2,45 Résistance du rotor 16 Ω 25,6 Ω Inductance du rotor 16 mH 27 mH Moment d’inertie 9 gcm 2 9 gcm 2 Constante de temps mécanique 34 ms 34 ms Force radiale max. 2,5 N 2,5 N Tension maximale 8 V 14 V Couple maximale 2 mNm 2 mNm Courant maximal 150 mA 120 mA Vitesse maximale 4200 tr/mn 4200 tr/mn Définitions des paramètres Excitation séparée, indépendante Excitation shunt Excitation série Excitation séparée Tension d’alimentation F.c.é.m. induite Φ est imposé par l’inducteur seul Vitesse : Couple EM : RI E U + = Ω = ϕ K E ϕ K RI U = Ω − R K U K I K = Cemag Ω − = ϕ rotor R R = Réglage de la vitesse KΦ RI U = − Ω U Ω I 1.Par action sur la tension d’induit : rhéostat en série sur l’induit (coûteux, pertes Joule) ou par une génératrice à excitation variable. 2.Par action sur l’inducteur (variation du flux):rhéostat d’excitation en série. Protection électronique contre l’annulation du courant d’excitation (emballement, destruction) Ω C U Excitation shunt Source : Livre d’électrotechnique, Théodore Wildi, p402 En coordonnées réduites, ramenées aux valeurs nominales. (T = couple) Stabilité du fonctionnement Vitesse relativement constante même pour des charges variables. Démarrage du moteur shunt Source : Livre d’électrotechnique, Théodore Wildi, p403 Utilisation du rhéostat de démarrage à plots pour limiter le courant induit au démarrage 4=aimant pour maintenir le circuit fermé; 3=ressort de rappel si la tension est coupée subitement (aimant n’étant plus alimenté) Inconvénient : pertes Joule, manipulation délicate Excitation série • Tension d’alimentation • F.c.é.m. induite avec (machine non saturée) Vitesse • Couple électromagnétique RI E U + = Ω Φ = ) (I K E E I K RI U Eα − ≅ Ω 2 ) ( I K I I K C C C emag α ≅ Φ = I I I rotor exc = = I α = Φ induit inducteur R R R + = Un moteur série peut fonctionner en courant alternatif. Moteur universel Moteur série, caractéristique mécanique I K C C C C mot pertes emag Φ = + = RI K RI E U E + Ω = + = I α = Φ pertes E C mot C R K U K C −         + Ω ⋅ = 2 α α Pour augmenter N, on branche une résistance en parallèle avec l’inducteur (R diminue, Iexcdiminue, flux diminue) Pour diminuer N, on branche une résistance en série avec l’inducteur et l’induit (R augmente) Démarre rapidement et ralentit dans les côtes (C grand), atteint des vitesses importantes en terrain plat (C faible), Utilisé en traction, levage (déplacement rapide des charges légères et lent pour les charges lourdes) Caractéristiques comparées Moteur à excitation composée longue dérivation à flux additifs : couples élevées de courte durée (poinçonneuse, étau, cisaille) Freinage Freinage dynamique : A la rupture du courant, l’induit, continuant à tourner dans le champ de l’inducteur, se comporte somme une génératrice. En le faisant débiter dans une résistance R, le courant produit un couple de sens inverse et l’énergie cinétique emmagasinée se dissipe par effet Joule dans R. Pratiquement, R choisi pour avoir Cf=2Cn On inverse brutalement les bornes de la source. Alors I est 50 fois supérieur à In, dangereux même pour les protections. On le limite par R. Dans ce cas, il faut ouvrir immédiatement l’interrupteur sinon le moteur tourne dans l’autre sens , car même pour E=0, il reste le courant R E I s = 2 0 0 R E E I s + = Freinage par inversion Freinages comparés Constante de temps de freinage (N diminue de moitié) 1 2 1 0 132P JN T = T0 en s, J moment d’inertie (Kg.m2), N1 vitesse au freinage (tr/min), P1 puissance de freinage initiale développée par l’induit (EI) (en W) i K RI U i K RI U Ω ki I i K Ω ; C i K E RI E U ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ − ≅ − = = = = + = ) ( (i) ; ) ( ) ( ; Pour faire varier la vitesse : -Agir sur I (varier le couple) -Agir sur la tension d’alimentation de l’induit, I constant (couple constant) -Agir sur le courant d’excitation de l’inducteur Contraintes : Ne pas dépasser les valeurs nominales (puissance, couple) Ne pas atteindre la saturation du circuit magnétique Commande de la vitesse Pour p donné, les valeurs possibles de I et Ω sont dans la zone grise hachurée. Exemple : Pour diviser la vitesse par 2, le point de fonctionnement doit passer de A à B, la valeur au potentiomètre est alors R (0<R<p). En général I varie aussi (donc le couple) et le potentiomètre consomme une puissance Joule non négligeable. Solution coûteuse 1. Action sur I et U par un potentiomètre Ω Ω/2 Ω I i K U ϕ r U Ωn In p r U + A B U’ r R U I + = Moteur commandé par redresseur triphasé α α π cos 35 , 1 cos 2 3 0 E uploads/Finance/ moteurs-a-courant-continu.pdf