MOTEUR A COURANT CONTINU

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1 Sciences et Technologies de l ndustrie et du Développement Durable ENSEGNEMENT TRANSVERSAL C8 : Caractérisation des chaines d'énergie. Cours T erm 1. ntroduction MOTEUR A COURANT CONTNU Un moteur à courant continu est un convertisseur d'énergie électrique en énergie mécanique. Son modèle équivalent en régime permanent est relativement simple (comparé à d'autres charges électriques) et se rapproche de celui de la pile électrique. «block» Moteur à C.C. Énergie électrique Conver2r l'énergie Moteur à courant con2nu Énergie mécanique «values» Puissance Couple Vitesse Alimenta2on 2. Constitution Le moteur à courant continu est constitué d'une partie fixe appelée le stator ou l'inducteur, et d'une partie mobile appelée le rotor ou l'induit. Rotor ou induit Balais Collecteur Axe moteur Stator ou inducteur (aimant permanent) Le stator permet de créer un champ magnétique constant avec des aimants permanents ou des enroulements statoriques (bobinages). Le rotor est la partie tournante du moteur. l est bobiné et relié à un collecteur permettant d'inverser la polarité des enroulements rotoriques lors de la rotation. Des balais permettent de réaliser les contacts électriques glissants entre la partie fixe du moteur et sa partie tournante. Cours Modélisation MCC E v3.docx Lycée Jules Ferry Versailles 1/6

2 Term ST2D MOTEUR À COURANT CONTNU Cours 3. Principe de fonctionnement Un aimant permanent en forme de fer à cheval (ou une bobine fixe dont le champ est canalisé par un circuit magnétique) impose un champ magnétique constant au travers de la bobine. Un générateur continu alimente la bobine qui peut tourner librement autour de son axe. Des contacts électriques glissants sont réalisés au niveau du commutateur (balais + collecteur). Un courant électrique peut donc circuler librement dans la bobine. Vue de face La bobine étant alimentée en courant, elle crée un champ magnétique vertical. Les 2 champs magnétiques se retrouvant à 90, un couple de forces apparait et tant à aligner les 2 champs magnétiques. Le couple ainsi créé entraine la rotation de la bobine autour de son axe. Les contacts électriques glissants continuent d alimenter la bobine en courant électrique. Au moment où les 2 champs magnétiques deviennent quasiment alignés, et donc au moment où le couple aurait tendance à s'annuler, les contacts électriques glissants inversent le sens de circulation du courant dans la bobine. Le champ magnétique créé par la bobine n est plus aligné avec le champ magnétique constant, un couple de forces est donc toujours présent pour maintenir la rotation. Cours Modélisation MCC E v3.docx Lycée Jules Ferry Versailles 2/6

3 4. Étude des lois régissant le fonctionnement d une MCC à aimants permanents en régime permanent 4.1. La force contre électromotrice. La machine est utilisée en moteur. Lors de l essai à vide, aucune charge n est connectée sur l arbre moteur et seul le voltmètre est présent coté électrique (on considère que le courant dans le voltmètre est nul). Mise en situation : On fait tourner l arbre du moteur et on mesure la tension qui apparaît aux bornes du moteur à vide (aucun courant n est débité, = 0 A). = 0 A (V) à vide V MCC On constate que la tension à vide est proportionnelle à la vitesse de rotation. On peut donc réaliser un premier modèle équivalent utilisant un générateur de tension parfait. (rad/s) Modèle électrique équivalent Première relation de la MCC : Rappel : : Vitesse angulaire en rad/s N : Vitesse de rotation en tr/min Cours Modélisation MCC E v3.docx Lycée Jules Ferry Versailles 3/6

4 4.2. Essais en charge Mise en situation : On alimente le moteur à courant continu à l aide d une source continue que l on maintient constante (Ualim = constante), et l on fait varier la charge mécanique imposée sur l arbre du moteur à l aide d un frein électro magnétique. On mesure la vitesse de rotation à l aide d une dynamo tachymétrique. Système réel (système de levage) Système en laboratoire (banc moteur) Ualim A MCC Dynamo tachymétrique Ualim A MCC Dynamo tachymétrique Frein électro magné7que C C Charge variable (kg) En maintenant l alimentation à une tension constante, on remarque que si l on augmente la charge mécanique, le courant absorbé par le moteur augmente et la vitesse du moteur diminue. On trace les deux courbes ci-dessous : (A) (A) (V) (rad/s) E = Ke. (V) La diminution de vitesse correspond à une diminution de la tension E, puisque l on a la relation : E = Ke. On constate donc l apparition d une chute de tension entre et E proportionnelle au courant. Cette chute de tension peut donc être modélisée par une résistance. Cours Modélisation MCC E v3.docx Lycée Jules Ferry Versailles 4/6

5 Modèle électrique équivalent : Ce modèle électrique rappelle le modèle de la pile, avec toutefois comme différence le sens du courant. ci, la machine à courant continue est utilisée en récepteur, donc en moteur. Elle absorbe donc le courant. En s appuyant sur les essais précédents, il est possible d en déduire le modèle équivalent de la machine à courant continue en fonctionnement moteur. Modèle électrique équivalent E = Ke Essais sur la partie mécanique Mise en situation : On alimente le moteur à courant continu à l aide d une alimentation variable (Ualim), et l on fait varier la charge mécanique imposée sur l arbre du moteur. Ualim A MCC On mesure pour différentes tensions d alimentations le courant, le couple et la vitesse. On obtient alors les allures de courbe et ci-dessous : Dynamo tachymétrique Couple mètre C Frein électro magné7que (A) C (Nm) 1 2 C (Nm) (rad/s) Analyse de la courbe : On remarque que le courant est proportionnel au couple. Deuxième relation de la MCC : Cours Modélisation MCC E v3.docx Lycée Jules Ferry Versailles 5/6

6 Analyse de la courbe : On remarque que la vitesse est proportionnelle au couple. Deuxième relation de la MCC : f : frottement visqueux en Nm/rad/s. 5. Relations physique de la MCC en régime permanent Le moteur atteint son régime permanent lorsque sa vitesse de rotation est stabilisée. Modèle électrique équivalent Par=e mécanique R R. C = Ki. C = f. E = Ke. Charge E = - R. 6. Modèle équivalent d une MCC sous forme de bloc fonctionnel Le moteur à courant continu mélange des grandeurs électriques et mécaniques. La représentation sous forme de bloc fonctionnel permet de simuler facilement le comportement électromécanique du moteur. Rappel des différentes relations en régime permanent : l faut réécrire certaines relations afin de pouvoir réaliser le schéma fonctionnel de la MCC. Schéma fonctionnel en régime permanent de la MCC : + - R. C E Cours Modélisation MCC E v3.docx Lycée Jules Ferry Versailles 6/6