Conversion d énergie électrique en énergie mécanique. moteur à courant continu

Transcription

1 Mteur à curant cntinu 1. Schéma fnctinnel énergie électrique furnie Cnversin d énergie électrique en énergie mécanique mteur à curant cntinu énergie mécanique utilisable Le mteur est alimenté en énergie électrique : différence de ptentiels U et curant I cntinus, l énergie utilisable est mécanique (rtatin), elle est caractérisée par le cuple utile et la vitesse. 2. Définitins Cuple : Le mment d un cuple de frces est la smme des mments de chaque frce, n ne fait pas la distinctin entre le terme mment et le terme cuple et n parle du cuple mteur. La smme des cuples de frces qui agissent sur le rtr d un mteur est appelée cuple électrmagnétique en N.m (Newtn mètre). Chaque enrulement du rtr prduit un cuple. Vitesse : Elle est exprimée en tur par minute (n en tr/min) u en radian par secnde ( en rd/s). La relatin entre et n est dnnée par : 2π Ω(rd/s) n(tr/min) 60 Puissance : On appel puissance utile du mteur la valeur Avec : P en W en N.m en rd/s P utile Ω 3. Cnstitutin Le statr u inducteur est la partie fixe du mteur, c est cette partie qui permet la créatin du flux d inductin. Ce flux peut être créé sit par un aimant permanent, sit par les enrulements d inducteur qui devrnt être alimentés. Le rtr u induit est la partie mbile du mteur, les enrulements d induit snt bbinés dans des encches, ils snt alimentés par le cllecteur sur lequel viennent frtter des balais, généralement en graphite, installés sur la partie fixe du mteur.

2 4. Li de Laplace : Un cnducteur de lngueur L parcuru par un curant I et placé dans un champ magnétique B est sumis à une frce F telle que : F I L B B en tesla (T) F en newtn (N) I en ampère (A) L en mètre (m) 5. Principe de fnctinnement Le schéma de principe représente une spire du bbinage d induit, cette spire est placée dans un champ magnétique B et elle est parcurue par un curant I, elle est dnc sumise à une frce de Laplace F. Le cuple de frces qui s exerce sur la bbine prduit la rtatin de celleci. La spire étant alimentée par le dispsitif balais-cllecteur, le sens du curant dans la spire s inverse à chaque demi-tur ce qui permet de cnserver le sens de rtatin. Définitins La smme des mments des cuples est appelée cuple électrmagnétique. Un mteur à curant cntinu peut turner dans les deux sens de rtatin Le champ magnétique peut être créé par un aimant permanent u par des bbinages qu il faut alimenter. Un mteur à curant cntinu est une machine réversible, il peut fnctinner en génératrice (dynam). Relatins On appel E en vlt (V), la smme des frces électrmtrices (f.e.m.) qui snt créées dans chacune des spires alimentées.

3 On appel I en ampère (A), la smme des curants parcurant les spires de l induit. On appel en weber (Wb), le flux créé par le statr (le flux du champ magnétique unifrme B au travers d une surface S est S B n u n est le vecteur unitaire nrmal à la surface S). On appel en newtn mètre (Nm), le cuple électrmagnétique dispnible sur l arbre mteur. Il vient : E K Ω K est une cnstante fnctin du mteur K I (nmbre de spires, nmbre de bbines) De ces deux expressins n tire : E I Ω Le prduit E I est appelé puissance électrmtrice en Watt (W). 6. Schéma équivalent, mdèle Le circuit équivalent de l induit se mdélise sus deux frmes : En régime nn établi Ce schéma électrique cnduit à l équatin de maille suivante : di(t) U(t) L E(t) R i(t) dt En régime établi (le curant i est cnstant) di(t) En régime permanent le terme 0 dt dnc U(t) E R I 7. Puissances, rendement Puissance absrbée : c est la smme des puissances absrbées dans l induit et dans l inducteur Dans l induit Pinduit Uinduit Iinduit Dans l inducteur Pinducteur Uinducteur Iinducteur il faut nter que cette puissance est nulle dans le cas d un mteur à aimant permanent Pertes Les pertes par effet Jule dans l induit et l inducteur 2 P R I Jinduit Pinducteur Uinducteur Iinducteur la puissance absrbée dans l inducteur est dissipée en chaleur. Les pertes mécaniques dues aux frttements

4 Les pertes électrmagnétiques dues aux curants de Fucault et à la saturatin magnétique. Puissance utile : c est la puissance mécanique sur l arbre mteur P Ω utile u Rendement Putile Γ u Ω Le rendement est dnc : η = = P P + U I furnie inducteur 8. Caractéristiques mteur à curant cntinu. 0 représente la vitesse du mteur sans charge pur le curant à vide, n est la vitesse en charge pur le curant nminal d représente le cuple de démarrage, 0 est la vitesse à vide. Le cuple ( F, F ) est btenu au pint de fnctinnement du mteur lrsque le cuple mteur est égal au cuple résistant. Exemple : REFERENCE DU MOTEUR: 82840

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6 9. Alimentatin Rappels : La vitesse de rtatin est fnctin de la tensin d alimentatin du mteur. Le cuple est fnctin du curant dans le mteur. Le sens de rtatin est fnctin de la plarité de l alimentatin. Le mteur peut fnctinner en génératrice. Il est pssible de représenter la tensin aux brnes du mteur en fnctin du curant cnsmmé. Cette représentatin est pssible dans les quatre quadrants du repère rthnrmé U = f(i) : dans les quadrants Q1 et Q2 la d.d.p. aux brnes du mteur et le curant dans celui-ci snt de même signe, le mteur est alimenté en énergie électrique, il furnit une énergie mécanique (fnctinnement mteur).dans les quadrants Q3 et Q4, le mteur récupère de l énergie mécanique et délivre de l énergie électrique à un récepteur. U.I < 0 Générateur U U = K. j. W G I = K.j U.I > 0 Mteur Q4 Q3 Q1 Q2 I U.I > 0 Mteur U.I < 0 Générateur Alimenter un mteur à curant cntinu c est lui furnir l énergie électrique qui sera cnvertie en énergie mécanique, permettre sa rtatin dans les deux sens et éventuellement assurer le cntrôle des paramètres cuple, vitesse de rtatin, On distinguera deux mdes d alimentatin, l alimentatin avec et sans régulatin. Alimentatin sans régulatin. Le mteur peut être alimenté par un générateur de tensin, la vitesse de rtatin est en relatin avec cette tensin. Le mteur peut être alimenté par un générateur de curant, le cuple mteur est alrs en relatin avec ce curant. Pur inverser le sens de rtatin sans débrancher le mteur n utilise un mntage de type «pnt en H», dnt le schéma de principe est le suivant : Lrsque les interrupteurs K1 et K2 snt fermés, Um = Vcc >0, Im > 0, le mteur turne dans un sens (figure A). Lrsque les interrupteurs K3 et K4 snt fermés, Um = - Vcc, Im < 0, le mteur turne dans l autre sens (figure B).

7 En pratique les interrupteurs peuvent être des relais électrmagnétiques, des transistrs biplaires u Ms (dans le cas des mntages à transistrs n ajutera des dides de «rue libre» pur limiter les pics de tensin inverse lrs du blcage des transistrs). Alimentatin avec régulatin. La vitesse est mesurée sit par un cdeur numérique cmptant un nmbre d impulsins par tur et par unité de temps (capteur ptique, capteur à effet Hall, ILS, ). Sit par dynam tachymétrique qui délivre un signal analgique représentatif de la vitesse. L intensité cnsmmée par le mteur est mesurée en permanence, n utilise en général une résistance shunt de très faible valeur placée en série dans le circuit d alimentatin. La tensin aux brnes de cette résistance est l image du curant dans le mteur, il est alrs pssible de prcéder à un traitement analgique u numérique de cette grandeur pur assurer la régulatin du curant mteur. Alimentatin par mdulatin de largeur d impulsin (MLI). Ce mde d alimentatin en énergie du mteur permet de faire varier sa vitesse de rtatin. Le mteur est alimenté en tut u rien par un signal péridique et c est la variatin du rapprt cyclique de ce signal qui assure la variatin de vitesse. En première apprche n peut cnsidérer le mteur équivalent à une self L : La tensin aux brnes de cette self peut s'exprimer par : dim(t) Um(t) L, dnc : dt 1 Im(t) Um(t).dt L