Le moteur à courant continu Lycée Eugène Livet - Nantes

Cours 1h30

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1- Présentation :

Un moteur à courant continu est une machine électrique. Il s'agit d'un convertisseur électromécanique permettant la

conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un dispositif

mécanique. Elle est aussi appelée dynamo.

En fonctionnement moteur, l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique.

En fonctionnement générateur, l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique. La machine

se comporte comme un frein.

Inventée par Zénobe Gramme (1826-1901), c'était au

départ un simple générateur de courant continu. Fabriquée à partir de 1870, elle pouvait,

comme toutes les machines à courant continu, servir de génératrice ou de moteur. Lors de

l’Exposition de Vienne de 1873, une machine de ce type produisit l’électricité qui faisait

tourner une autre machine utilisée comme moteur à 500 mètres de distance. Ce fut l’une des

premières tentatives de transport d’électricité.

Il existe 3 types de moteurs à courant continu :

les moteurs à excitation séparée, ce sont les moteurs standards.

Les moteurs à excitation série qui possèdent un très fort couple de démarrage sont utilisés en traction

électrique.

Les moteurs à aimant permanent qui sont souvent de petite taille et très utilisés en robotique (nous

nous limiterons, dans ce document, à leur étude).

2- Principe de fonctionnement et constitution d’un moteur à courant continu à aimant permanent :

Un moteur à courant continu est l’application de la

loi de Laplace qui affirme que l’action d’un champ

magnétique sur un courant produit une force, cette

force engendrant un couple pour réaliser un

moteur.

Il est constitué :

d'un stator qui est à l'origine de la

circulation d'un flux magnétique

fixe créé soit par des enroulements

« statoriques » (bobinage), soit par des aimants permanents. Il

est aussi appelé « inducteur ».

Comme son nom l’indique dans le cas qui nous intéresse, le

flux magnétique est produit par un aimant permanent. Ceci

permet une simplicité de mise en œuvre du moteur et des

dimensions pouvant être très réduites.

Fonctionnement en moteur Fonctionnement en génératrice

champs B

force F

courant I

illustration de la loi de Laplace

F

F

B

I

I

aimant

aimant

N S

création d’un couple électromécanique

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d'un rotor bobiné. Les enroulements « rotoriques » sont

aussi appelés enroulements d'induits, ou communément

« induit ».

Le courant, injecté via les balais (charbons) au collecteur, traverse le

bobinage du rotor et change de sens (commutation) pendant la rotation

grâce au système balais/collecteur. Ceci permet de maintenir la

magnétisation du rotor perpendiculaire à celle du stator pendant la

rotation.

3- Symbole et câblage

On l’alimente en général grâce à une source de tension continue :

4- Caractéristiques électromécaniques

Caractéristiques électrique :

UMOT=E + r.i +L.di/dt

Caractéristiques électromécaniques :

Elles lient les paramètres électriques (courant et tension) aux paramètres

mécaniques (vitesse de rotation : ω et couple : C) :

E=Ke. ω

avec Ke : constante électrique liée à la constitution du moteur et ω : vitesse de

rotation en rad/s, en tr/min ou encore en tr/s suivant le fabricant.

et

C=Kc.i

avec Kc : constante de couple liée à la constitution du moteur et C en N.m

Remarque : si on néglige l’influence de r et L, on peut considérer que E=U,

dans ce cas, U=Ke. ω

La vitesse est proportionnelle à la tension moyenne aux bornes du moteur.

5- Inversion du sens de rotation :

Pour inverser le sens de rotation, il suffit d’inverser les bornes d’alimentation

du moteur. :

En pratique, pour inverser le sens de rotation, on

réalise le câblage ci-dessous, appelé « pont en H », à

cause de la disposition des composants, où T1 et T4,

commandés simultanément, permettent la rotation

dans un sens et T2 et T3 commandés simultanément

permettent la rotation dans l’autre sens.

Les interrupteurs T1 à T4 sont très souvent des

transistors fonctionnant en commutation (comme des

interrupteurs électroniques) et parfois des contacts de

relais électromagnétiques.

M =

UMOT (=) ω

i

r

L

r.i

L.di/dt

E

UMOT

r : symbolise la résistance de la bobine du moteur L : symbolise l’inductance du bobinage.

E : est la force électromotrice

Modèle électrique :

M =

ω

i

M =

UMOT

<0

ω

i

UMOT

>0

M =

UMOT T1 T2

T3 T4

Vcc

0V

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6- Variation de la vitesse de rotation :

Le principe est de « hacher » la tension continue appliquée au moteur,

c’est à dire successivement d’alimenter le moteur puis de ne plus

l’alimenter et ceci à un rythme très rapide (plusieurs centaine de Hz voire

quelques kHz), de façon que la vitesse de rotation soit régulière.

En effet, à partir d’une certaine fréquence, l’inductance du bobinage et

l’inertie lissent le mouvement de rotation.

L’interrupteur de commande est en fait un transistor fonctionnant en commutation (comme un interrupteur qui s’ouvre

et se ferme très rapidement). Très souvent, le principe du pont en H est combiné au principe du hacheur pour

permettre la variation de vitesse et l’inversion du sens de rotation d’un moteur à courant continu.

Très souvent, le principe du pont en H est combiné au principe du hacheur.

La vitesse de rotation du moteur est proportionnelle

à la valeur moyenne de la tension UMOTEUR, qui

dépend du rapport cyclique et de la tension

d’alimentation.

= TH / T (0 < < 1)

et : UMOTEUR_MOY = VCC x

Si =0, la tension moyenne aux bornes du moteur est nulle et donc le moteur est l’arrêt.

Si =1, la tension moyenne aux bornes du moteur est maximum et donc sa vitesse également.

Le principe de hacher la tension fournie au moteur et de faire varier la largeur de l’impulsion au niveau logique haut

s’appelle faire de la :

Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) en français et de la

Pulse Width Modulation (PWM) en anglais.

7- Exemples de documentations techniques :

M =

UMOT

ω

commande

UA

LIM

EN

TA

TIO

N

UMOTEUR

t(S)

TH

0

Vcc

=5V T

1 2 3 4 5

ici : = 1/2 = 0,5

et : UMOTEUR_MOY = VCC x = 5 x 1/2 = 2,5V

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