Physique TSTI génie mécanique révisions 2007 : alimentation moteur CC

Mercredi 23 mai 2007

- Par jean marie bourven - Publié dans : i-e1-a: Bac STI Génie Mécanique

Physique TSTI génie mécanique révisions 2007 : alimentation moteur CC

voici une première fiche de révision et de synthèse pour le cours de Physique du bac STI Génie Mécanique:

sujet traité: l'alimentation en tension et en courant du moteur à courant continu

RAPPEL

un moteur CC est constitué de deux parties distinctes en interaction électromagnétique

- l'inducteur, qui est un enroulement de cuivre fixe ( au stator) alimenté en courant continu et créant un champ magnétique B à 2 ou 4 pôles Nord - Sud

- l'induit, qui est un enroulement de spires bati autour d'un rotor, alimenté en courant continu d'intensité I subissant le flux FI du champ B au travers de ces spires.

L'interaction entre FI et I crée une force de Laplace et un couple électromagnétique associé de moment M_em ( ou C_em ou encore T_em) entraînant la rotation du rotor.

pour alimenter le moteur CC il faut donc:

- une source de tension continue pour l'inducteur (sauf si celui-ci est à aimantation permanente) appelée excitation.

- une source de tension continue U pour l'induit appelée polarisation d'induit (dont le signe et l'amplitude va déterminer le sens de rotation et la vitesse du rotor) qui envoie un courant celui-ci ( dont l'intensité I va dépendre du moment du couple électromagnétique M_em appelé par la charge mécanique que le rotor est susceptible d'entraîner)

constantes du moteur:

R: résistance de l'induit dépendant de la longueur et de la section des spires

K: constante d' Arnold liée à sa construction ( nombre de spires, nombre de voies d'enroulement du rotor, nombre de paires de pôles de l'inducteur)

variables du moteur:

W ( oméga) la vitesse angulaire

Mem le moment du couple électromagnétique

les lois régissant ce moteur sont de 3 natures:

nature électromagnétique: apparition d'une fem d'induction presque constante e crée par la rotation du rotor dans le flux FI et de valeur moyenne

                         <e> = E = K.FI.W

          écrite parfois E = k.n avec n = W / 2pi et k = 2pi.K.FI

E en V FI en Wb W en rad.s^-1 n en s^-1ou (tr/s) et k en V.s

et apparaissant aux bornes des frotteurs amenant le courant d'induit I de la source de polarisation aux spires

nature électrique: issu de la modélisation série de l'induit et de la loi d'Ohm

   U = E + RI

R en Ohm et I en A

nature magnétomécanique: il y a proportionalité entre le courant I et le couple de moment M_em

                            M_em = K.FI.I

M_em en Nm

La gestion du comportement électromécanique du moteur CC est assurée par une combinaison des lois ci-dessus sous la forme:

     U = K.FI.W + R M_em/ (K.FI) ou aussi U_o = K.FI.W + r C_em/ (K.FI)

        selon que l'on utilise les notations U ou U_o, Mem ou Cem, R ou r

mais qu'importe la notation, l'essentiel est représenté par la droite ci-dessous représentant la vitesse de rotation en fonction de la tension de polarisation de l'induit:

droite affine ( et non linéaire par abus de langage ) qui montre que pour piloter la vitesse du moteur il est nécessaire de faire varier deux paramètres:

U la tension d'induit, afin de parcourir la droite à flux FI constant

FI pour faire varier à la fois son coefficient directeur et son ordonnée à l'origine

venons en au sujet présenté: l'alimentation électique du moteur CC

plaçons nous dans le cas du moteur CC à excitation.

il nous faut donc disposer de deux sources de tension continue une pour l'inducteur, l'autre pour l'induit.

En général la source d'excitation est obtenue à partir:

- d'un accumulateur ( cas du démarreur automobile, de certins outillages)
- d'un pont diviseur de tension relié à cet accumulateur

- d'un étage redresseur du courant alternatif à diodes pour l'excitation constante, à thyristors pour l'excitation variable pour un moteur CC industriel

Pour l'induit, il existe plus de possibilités

- la source de tension autonome ( pile, accumulateur ) pour l'outillage électroportatif et certains jouets à petit moteurs CC

- le hacheur ( ou modulateur de largeur d'échelon) avec diode de roue libre et bobine de lissage du courant

- les ponts de redressements à diodes ou thyristors, avec lissage du courant par une bobine ou de la tension par un condensateur.

voici une table graphique présentant quelques unes des possibilités évoquées:

le cas particulier du hacheur est évoqué ci-dessous:

c'est un dispositif permettant de faire varier la valeur moyenne de la tension <u_moteur> = u_M, donc la vitesse du moteur, par variation du rapport de cycle a.

si a = 0 <u_moteur> = O moteur à l'arrêt

si a = 1 <u_moteur> = U_o vitesse du moteur maximale.

caractéristique de la vitesse de rotaion: elle est une fonction affine de a

cas du redressement fixe et variable:
exemple du pont mixte (2 thyristors, 2 diodes) fonctionnant sous u = Û sin wt
tension sinusoïdale fournie par le réseau ou par un transformateur.

voici une planche explicative des signes, sens de circulation des courants et des tensions, séquences des commutateurs passants :

il y a 4 phases de conduction et de commutation illustrée par les flèches de courant et de tension sur ce schéma.

bien noter que les diodes servent 2 fois: une fois en éléments passant sous tension réseau, une fois en élémens "roue libre" assurant le court-circuit de la branche bobine-MCC

bien noter aussi qu'un thyristor devient passant lorsque sous tension positive il est l'objet d'une impulsion de courant à la gachette, et qu'il reste passant jusqu'à ce que l'autre thyristor soit à son tour amorcé.

bien noter enfin que la branche bobine-MCC est traversé par un courant toujours de même sens et ininterrompu.

variation de vitesse:
remarquant que la tension redressée u_red = u_bobine + u_moteur

                                       et que <u_bobine> = L<di/dt) = 0

                                       on a :      <u_moteur> = <u_red>

pour ce dernier dispositif, la tension moyenne aux bornes du moteur vaut donc :

                                 <u_moteur> =<u_red>= Û/pi ( 1 + cos A)

où A est l'angle d'ouverture des thyristors avec A = wt1 = w ( T/2 -t2 )

cas particuliers:

- si t₁ = 0 alors <u_moteur> = 2Û/pi le pont mixte devient l'équivalent d'un pont
   PD2 à 4 diodes et le moteur tourne à sa vitesse maximale

- si t1 = T/2 alors <u_moteur> = 0 et le moteur est à l'arrêt.

caractéristique de vitesse: c'est une fonction non linéaire de A.

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