Cours - Moteurs à courant continu PDF

Sciences de l'Ingénieur Structure et fonctionnement d'un moteur à courant continu à vitesse variable ... 3 DIFFERENTS TYPES DE MOTEURS A COURANT CONTINU.

LES SCIENCES DE LINGENIEUR

Modéliser le comportement d'un moteur à courant continu. Régler et faire fonctionner le système pour répondre à des lois de vitesse différentes.

SCIENCES DE LINGENIEUR

L'enseignement des Sciences de l'ingénieur apporte alors les concepts élémentaires pour aborder MODELE ELECTRIQUE SIMPLE DU MOTEUR A COURANT CONTINU .

Cours - Moteurs à courant continu

CPGE - Sciences Industrielles de l'Ingénieur. ATS. Moteurs à courant continu 1 Principe du moteur à courant continu (MCC). 3. 1.1 Constitution .

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Système élémentaire: moteur à courant continu LEGO NXT. – Système complexe: pilote hydraulique de bateau asservi. • Se former pour utiliser MATLAB/Simulink.

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Etude de cas : Imposer une consigne de vitesse à un moteur

Etude de cas – Imposer une consigne de vitesse à un moteur à courant continu – Sciences de l'ingénieur. 17/05/2018.

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EXEMPLE 2 : PILOTAGE D'UN MOTEUR À COURANT CONTINU utiles à l'enseignement et à l'apprentissage des sciences de l'ingénieur en section S-SI ou STIDD ...

MACHINES A COURANT CONTINU

Sciences de l'ingénieur. COURS BAC S SI – CONVERTIR L'ENERGIE Les moteurs à courant continu sont employés dans les domaines de la traction du.

TP 04.1 Moteur à courant continu (DidAcsyde) Corrigé

TP 04.1 Moteur à courant continu (Did'Acsyde) Corrigé. Page 1/5. MPSI-PCSI. Sciences Industrielles pour l'Ingénieur. S. Génouël. 14/11/2010.

Cours - Moteurs à courant continu

CPGE - Sciences Industrielles de l’Ingénieur ATS Moteurs à courant continu Cours CI3 : Chaînes d’énergie > CONVERTIR v3 0 Lycée Jules Ferry - 82 Bd de la République - 06400 CANNES Compétences visées : Compétence Intitulé B2-01 Associerunmodèleauxconstituantsd’unechaîned’énergie B2-18 Établirleschémablocdusystème B2-19

Le moteur à courant continu - myDataLogger - accueil

Le moteur à courant continu à aimants permanents Principe caractéristiques Alimentation variation de vitesse Puissance rendement Réversibilité mesure de courant Cette technologie de moteur permet une réalisation économique de moteurs en général de faible puissance pour des usages multiples Automobile audiovisuel robotique

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Les moteurs à courant continu L’utilisation en moteur de la machine à courant continu est très répandue surtout pour le fonctionnement à vitesse réglable pour les asservissements et en traction électrique 1°-Principe de fonctionnement Au chapitre 4 on a déjà établi la réversibilité de la machine électrique M Enegie K 1 Electriqur

Généralités
Comme toutes les machines tournantes, les moteurs électriques sont constitués d’un stator et d’un rotor. Dans un moteur à courant continu, le stator crée un champ magnétique fixe à l’aide d’enroulements (inducteur) ou d’aimants permanents. Le rotor est constitué d’un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif qui permet de maintenir les bo...
Principe
Si un conducteur en forme de spire, parcouru par un courant I, est placé dans un champ magnétique, il est soumis à des forces de Laplace. Ces forces créent un couple provocant la rotation du rotor. Lorsque celui-ci a fait un demi-tour, il faut inverser la polarité pour inverser le sens des forces et continuer le mouvement (ce sera le rôle du collec...

Quelle est la puissance d'un moteur à courant continu?

L'énergie nécessaire au fonctionnement est déli- vrée par une batterie NiMH de 300 mA.h sous 14,5 V. Le moteur à courant continu entraîne les roues, les balais brosses et le système d'aspiration. D'une puissance nominale de 30 W, la résistance de son induit est de 2 ? et il tourne à 900 tr/min quand on l'alimente sous 14,5 V. 1.

Quel est le degré de protection d'un moteur à courant continu?

Moteur avec technologie magnétique permanente selon le degré de protection IP 40 et IP 53. En plus de la forme, les données de fonctionnement ou de performance sont les facteurs les plus importants à prendre en compte lors de l'achat d'un moteur à courant continu. Ces mesures comprennent un certain nombre de mesures différentes.

Qu'est-ce que le circuit du moteur ?

Le circuit du moteur est basé sur le L298, qui est un double conducteur de pont complet conçu pour piloter des charges inductives telles que des relais, des solénoïdes, DC et moteurs pas à pas. Il vous permet de conduire de deux Moteurs à courant continu, commande de la vitesse et de la direction de chacun de façon indépendante.

Quelle est la différence entre une génératrice et un moteur à courant continu?

II-3-Conversion d’énergie Le fonctionnement du moteur à courant continu est contraire à celui d’une génératrice à courant continu. II-4-Schéma électrique et équation de fonctionnement d’un moteur à excitation indépendante

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CoursCI3 : Chaînes d"énergie >CONVERTIRv3.0Lycée Jules Ferry - 82 Bd de la République - 06400 CANNES

Compétences visées :

CompétenceIntitulé

B2-01Associer un modèle aux constituants d"une chaîne d"énergie.

B2-18Établir le schéma bloc du système.

B2-19Déterminer les fonctions de transfert à partir d"équations physiques

(modèle de connaissance).C2-32Déterminer les caractéristiques mécaniques de l"actionneur.

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Moteurs à courant continu

Version 3.0 du 25/09/2020

Table des matières

1 Principe du moteur à courant continu (MCC) 3

1.1 Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 Fonctionnement en moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3 Fonctionnement en génératrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4 Schéma simplifié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Modélisation électrique 4

2.1 Eléments constitutifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 Modèle de connaissance du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1 Comportement au niveau de l"induit et de l"inducteur . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2 Conversion électromécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3 Modèle de connaissance à connaître . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Fonctionnement en régime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1 Equations du régime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2 Quadrants de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Alimentation du moteur 6

3.1 Variation de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 Contrôle d"un moteur à courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1 Alimentation directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2 Contrôle de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.3 Contrôle de vitesse et de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Modélisation en régime transitoire 10

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1 Principe du moteur à courant continu (MCC)

1.1 ConstitutionFigure1 - Structure d"un moteur à courant

continuLe moteur à courant continu (MCC) est une machine dont les pièces maîtresses sont le rotor (partie mobile) et le stator (partie fixe). Le stator, appelé inducteur, est magnétisé, soit par un bobinage alimenté par un courant continu, soit par des aimants permanents. Le rotor, appelé induit, est constitué d"un bobinage dans lequel on fait circuler un courant par l"intermédiaire d"un collecteur (balais).

Les courants dans l"induit

changent de sens de part et d"autre de la ligne neutre, et génèrent ainsi une force de La- place, à l"origine du couple ap- pliqué sur l"arbre moteur.

Le collecteur a pour fonction

d"inverser le sens du courant dans les conducteurs qui fran- chissent la ligne neutre.Figure2 - Principe du MCC

1.2 Fonctionnement en moteur

On fait circuler dans l"induit un courant I. Le principe le la force de Laplace !F=I!dl^!Bappliqué

à la périphérie du rotor génère alors un couple, à l"origine de la rotation de l"arbre moteur.

1.3 Fonctionnement en génératrice

On impose cette fois un mouvement de rotation à l"arbre moteur. Les conducteurs de l"induit, de longueur l, sont alors soumis à une translation de vitesse linéaire V.

Or la loi de Faraday énonce que ce déplacement relatif génère une force électromotricee=B:l:V.

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En fonctionnement génératrice, cette machine génère donc une force électromotrice proportionnelle

à la vitesse de rotation de l"induit.

1.4 Schéma simplifiéFigure3 - Schéma d"un moteur à courant continu

2 Modélisation électrique

2.1 Eléments constitutifsFigure4 - Modèle électrique du

MCCLes bobinages de l"induit vont être caractérisés par : leur résistance R, leur inductance L, la tension aux bornes du moteur, la fcém induite par la loi de Lenze=ddt oùdésigne le flux magnétique. L"inducteur est quant à lui modélisé par le circuit ci-contreFigure5 -

Inducteur

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2.2 Modèle de connaissance du moteur

2.2.1 Comportement au niveau de l"induit et de l"inducteur

La loi des mailles appliquée au modèle précédent implique :

U=E+R:I+LdIdt

La loi de Lenz implique quant à elle :

E=k =KE si l"inducteur est à aimants permanents (ou à flux constant)

E=k'(Ie)

=K0Ie si l"inducteur est à bobinages Dans la suite, nous n"étudierons que les moteurs à flux constant. K

Eest appeléeconstante électriquedu moteur.

2.2.2 Conversion électromécanique

Il s"agit ici de la fonction utile du moteur, à savoir convertir l"énergie électrique en énergie mécanique

de rotation.

Cette conversion obéit à la loi suivante :

C em=KCI K

Cest appeléeconstante mécaniquedu moteur.

2.2.3 Modèle de connaissance à connaîtreModèle de connaissance du MCC

U=E+R:I+LdIdt

(1) E=KE (2) C em=KCI(3) Très fréquemment, on adopteraKE=KC2.3 Fonctionnement en régime permanent

2.3.1 Equations du régime permanent

Les équations caractéristiques précédentes (1) à (3) deviennent, en régime permanent :

8>< :U=E+RI E=K C em=KI http://tsi.ljf.free.fr/ATS/ Page 6 / 11CPGE ATS - S2I Moteurs à courant continu Cours On en déduit la loi de comportement d"un tel moteur en régime permanent : E=K =URCemK(4)

2.3.2 Quadrants de fonctionnementFigure6 - Quadrants de fonctionnement d"un MCCL"équation précédente se traduit

graphiquement par les courbes ci- contre.

On y distingue 4 quadrants de fonc-

tionnement :

Cm>0et

> O(moteur)

Cm<0et

> O(généra- trice)

Cm>0et

< O(généra- trice)

Cm<0et

< O(moteur)

3 Alimentation du moteur

3.1 Variation de vitesse

La loi de LenzE=KE

montre que pour faire varier la vitesse de rotation, il suffit de faire varier la force électromotriceE, et par conséquence la tension aux bornes du moteurUm(puisqueE=UmRI en régime permanent). Il existe deux dispositifs pour faire varier la tensionUm:

leshacheurs, lorsquel"énergie d"entrée est de nature continue. Ces hacheurs feront l"objet d"un

cours spécifique.

les montagesredresseursà thyristor, lorsque lasource d"énergie d"entrée est de nature sinusoï-

dale http://tsi.ljf.free.fr/ATS/ Page 7 / 11CPGE ATS - S2I Moteurs à courant continu Cours Figure7 - Redresseur triphaséCe montage à 1 pont de thyristor est irréversible en courant : ce dernier ne peut circuler que dans un seul sens. Lorsque les thyristor ne sont pas commutés, l"éner- gie présente dans le moteur se dissipe dans une diode de roue libre, ou dans un module de freinage résistif si l"inertie est trop importante. Sans ces dispositifs, les pics de surtension créés par la rupture du courant endommageraient le moteur (u=Ldidt )Figure8 - Redresseur triphasé réversible en courantCe deuxième montage à 2 ponts de thyristors devient réversible en cou- rant.

Le freinage est possible par renvoi

d"énergie sur le réseau.

3.2 Contrôle d"un moteur à courant continu

3.2.1 Alimentation directe

En appliquant un échelon de tension direct aux bornes d"un moteur MCC, on observe les courbes suivantes de tension, intensité, vitesse : http://tsi.ljf.free.fr/ATS/ Page 8 / 11CPGE ATS - S2I Moteurs à courant continu Cours

Figure9 - Contrôle direct d"un MCC

L"établissement brutal de la tension induit un pic de courant au démarrage.

En cas de perturbation en terme de couple résistant, la vitesse change immédiatement, et sa valeur

est subie.

3.2.2 Contrôle de vitesse

Ces inconvénients peuvent être résolus en effectuant un asservissement en vitesse, grâce à un va-

riateur qui aura pour rôle de moduler la tension aux bornes du moteur :Figure10 - Structure du contrôle de vitesse d"un MCC

L"apparition d"un couple résistant est cette fois nettement mieux absorbée : http://tsi.ljf.free.fr/ATS/ Page 9 / 11CPGE ATS - S2I Moteurs à courant continu Cours

Figure11 - Contrôle de vitesse d"un MCC

3.2.3 Contrôle de vitesse et de courant

L"asservissement précédent ne permet pas d"annuler le pic de courant au démarrage.

Par ailleurs, certaines applications nécessitent de maîtriser le couple fourni. Il est alors nécessaire

d"ajouter au contrôle précédent un asservissement en courant :Figure12 - Structure du contrôle de vitesse et de courant d"un MCC

Les signaux électriques asservis deviennent alors :Figure13 - Contrôle de vitesse et de courant d"un MCC

http://tsi.ljf.free.fr/ATS/ Page 10 / 11CPGE ATS - S2I Moteurs à courant continu Cours

4 Modélisation en régime transitoire

La tension aux bornes de l"inductance n"est plus nulle en régime transitoire. Les équations de comportement d"un MCC couplé à une inertie J deviennent alors :

U=E+R:I+LdIdt

(5) E=KE: (6) C em=KC:I(7) J d dt =CemCr(8)

Dans la dernière relation,Crdésigne le couple résistant, somme d"un frottement secCr0et d"un

frottement visqueuxf: C r=Cr0+f: (9) Transformons ces équations dans le domaine symbolique de Laplace :

U(p) =E(p) +R:I(p) +Lp:I(p)(10)

E(p) =KE:

(p)(11) C em(p) =KC:I(p)(12)

Jp:Omega(p) =Cem(p)Cr0(p)f;

(p)(13) Le schéma-bloc correspondant est alors :Figure14 - Schéma-bloc d"un MCC Ce schéma-bloc permet d"écrire, dans l"hypothèse d"un frottement sec nul : (p) = 1f+Jp!

KR+Lp!

(U(p)K (p))

1 +K2(f+Jp)(R+Lp)!

(p) = K(f+Jp)(R+Lp)! U(p) http://tsi.ljf.free.fr/ATS/ Page 11 / 11CPGE ATS - S2I Moteurs à courant continu Cours

D"où la fonction de transfert du moteur :

H(p) =

(p)U(p)=KK

2+ (f+Jp)(R+Lp)=K=RfK

2Rf 1 +Jf p! 1 +LR p! K=RfK 2Rf + 1 + Jf +LR p+Jf LR p2=KK

2+Rf+Rf Jf

+LR p+JLp2 KK

2+Rf1 +

RfK 2+Rf Jf +LR p+JLK

2+Rfp2

Après quelques hypothèses simplificatrices, cette fonction de transfert peut s"écrire :

H(p) =

(p)U(p)=KK

2+Rf(1 +mp)(1 +ep)

avec : e=LR , constante de temps électrique; m=RJRf+K2, constante de temps mécanique.

En remarquant queem, on aboutit enfin à :

H(p) =

(p)U(p)=H0(1 +mp)avec H0=KK

2+Rf(14)

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Généralités

Principe

Quelle est la puissance d'un moteur à courant continu?

Quel est le degré de protection d'un moteur à courant continu?

Qu'est-ce que le circuit du moteur ?

Quelle est la différence entre une génératrice et un moteur à courant continu?

Compétences visées :

CompétenceIntitulé

B2-18Établir le schéma bloc du système.

Moteurs à courant continu

Version 3.0 du 25/09/2020

Table des matières

1 Principe du moteur à courant continu (MCC) 3

1.1 Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 Fonctionnement en moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3 Fonctionnement en génératrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4 Schéma simplifié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Modélisation électrique 4

2.1 Eléments constitutifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 Modèle de connaissance du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1 Comportement au niveau de l"induit et de l"inducteur . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2 Conversion électromécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3 Modèle de connaissance à connaître . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3 Fonctionnement en régime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1 Equations du régime permanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2 Quadrants de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Alimentation du moteur 6

3.1 Variation de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 Contrôle d"un moteur à courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.1 Alimentation directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2 Contrôle de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.3 Contrôle de vitesse et de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Modélisation en régime transitoire 10

1 Principe du moteur à courant continu (MCC)

1.1 ConstitutionFigure1 - Structure d"un moteur à courant

Les courants dans l"induit

Le collecteur a pour fonction

1.2 Fonctionnement en moteur

1.3 Fonctionnement en génératrice

à la vitesse de rotation de l"induit.

1.4 Schéma simplifiéFigure3 - Schéma d"un moteur à courant continu

2 Modélisation électrique

2.1 Eléments constitutifsFigure4 - Modèle électrique du

Inducteur

2.2 Modèle de connaissance du moteur

2.2.1 Comportement au niveau de l"induit et de l"inducteur

U=E+R:I+LdIdt

La loi de Lenz implique quant à elle :

E=k'(Ie)

Eest appeléeconstante électriquedu moteur.

2.2.2 Conversion électromécanique

Cette conversion obéit à la loi suivante :

Cest appeléeconstante mécaniquedu moteur.

2.2.3 Modèle de connaissance à connaîtreModèle de connaissance du MCC

U=E+R:I+LdIdt

2.3.1 Equations du régime permanent

2.3.2 Quadrants de fonctionnementFigure6 - Quadrants de fonctionnement d"un MCCL"équation précédente se traduit

On y distingue 4 quadrants de fonc-

Cm>0et

Cm<0et

Cm>0et

Cm<0et

3 Alimentation du moteur

3.1 Variation de vitesse

La loi de LenzE=KE

Le freinage est possible par renvoi

3.2 Contrôle d"un moteur à courant continu

3.2.1 Alimentation directe

Figure9 - Contrôle direct d"un MCC

3.2.2 Contrôle de vitesse

Figure11 - Contrôle de vitesse d"un MCC

3.2.3 Contrôle de vitesse et de courant

4 Modélisation en régime transitoire

U=E+R:I+LdIdt

U(p) =E(p) +R:I(p) +Lp:I(p)(10)

E(p) =KE:

Jp:Omega(p) =Cem(p)Cr0(p)f;

KR+Lp!

1 +K2(f+Jp)(R+Lp)!