CHAPITRE 2
CONVERTISSEUR ELECTROMECANIQUE
INTRODUCTION :
Cest un convertisseur permettant de convertir l nergie lectrique (courant
continu) en rotation m canique. Cest le moteur le plus simple mettre en
Suvre. Il trouve son utilisation, entre autres dans :
L lectronique de faible signaux (radio, video, entra nement en rotation
de la parabole, etc.) ;
La traction lectrique.
1. ORGANISATION DE LA MACHINE :
Dans lorganisation dune machine courant continu, on
peut distinguer les principaux l ments suivants :
les p les inducteurs avec leurs enroulements ou leurs
aimants, plac s g n ralement sur le stator (partie
fixe)
linduit, dont les diff rentes voies denroulements
sont connect es au collecteur, lensemble tant
g n ralement plac sur le rotor (partie tournante)
les organes m caniques permettant la rotation du
rotor et le maintien des diff rents sous ensembles.
2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :
2.1. Loi de Laplace :
Stator
Rotor
Un conducteur travers par un courant et plac dans un champ magn tique est soumis une force
dont le sens est d termin par la r gle des trois doigts de la main droite.
F = B x I x L
F :
B :
I :
L :
Force en Newtons
Induction magn tique en teslas
Intensit dans le conducteur en amp res
Longueur du conducteur en m tres
Pour d terminer le sens de la force, il faut placer les trois doigts
(pouce, index, majeur) perpendiculairement entre eux.
Le pouce se place dans le sens du champ (le sens des lignes d'induction est toujours du N au S
l'ext rieur d'un aimant et du S au N l'int rieur).
Le majeur se place dans le sens du courant (sens conventionnel toujours du + vers le -).
L'index d termine alors le sens de la force.
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Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation
2.2. Principe de fonctionnement dun moteur courant continu :
Lorsque l'on place une spire parcourue par un courant (gr ce aux balais et au collecteur) dans un
champ magn tique, il appara t un couple de forces. Ce couple de forces cr e un couple de rotation qui
fait d vier la spire de plus ou moins 90 degr s par rapport au plan vertical, le sens du courant restant
inchang dans la spire, au cours de ce d placement, le couple de rotation diminue constamment
jusqu' sannuler apr s rotation de la bobine de plus ou moins 90 degr s ( zone neutre, la spire se
trouve l'horizontale et perpendiculaire aux aimants naturels).
Afin d'obtenir une rotation sans coup, l'enroulement dinduit doit tre constitu d'un nombre lev
de spires similaires. Celles-ci seront r parties de fa on r guli res sur le rotor (induit), de mani re
obtenir un couple ind pendant de langle de rotation. Apr s le passage de la zone neutre, le sens du
courant doit tre invers simultan ment dans chacune de ces spires.
L'inversion du courant est op r e par linverseur ou commutateur (collecteur) qui, associ au balais,
constitue l' l ment assurant la transmission du courant de la partie fixe la partie tournante du
moteur.
2.3. Force contre lectromotrice induite :
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Cette spire est le si ge dune fcem (force contre lectromotrice) E qui d pend de la structure de la
machine :
E = (p/a) . N . n . j
P : nombre de paires de p les inducteurs.
a : nombre de paires de voies de conducteurs dans linduit.
N : nombre de conducteurs actifs.
n : vitesse de rotation du rotor en tr/s.
: flux sous un p le.
Si le flux est constant cette fcem peut s crire :
E = k . n
Remarque :
Une machine courant continu (MCC) nest plus constitu e par une seule spire mais par
plusieurs spires mises en s rie selon la repr sentation suivante :
2.4. Couple lectromagn tique :
Une
section
Balais
Collecteur
La puissance lectromagn tique totale est le produit fcem avec le courant induit I : Pe=E.I. Or on
sait que la relation qui lit le couple avec la puissance est : C=P/W (avec W est la vitesse de rotation en
rd/s). Et puisque W = 2p.n (avec n est la fr quence de rotation en tr/s). Donc :
C = (k/2p).I (pour un flux j constant)
Chapitre 2: Convertisseur lectrom canique
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3. MODELE ELECTRIQUE SIMPLE DU MOTEUR A COURANT CONTINU :
Induit
R
U
E
Inducteur
Re
On peut crire la loi dohm lectrique (on suppose que linducteur est aimant permanent ou aliment
par une tension continu constante, ce qui revient supposer que le flux est constant).
U = E + R.I
E = k.n
C = (k/2p).I = k.I
Si on suppose que le moteur est aliment avec une tension constante U. On peut tracer la
caract ristique m canique C=f(n) du moteur :
C = k.I = k. (U E)/R
C = k.( U
R
-
k.n
R
)
Cette
caract ristique
est
repr sent e dans la courbe ci contre :
C
Cd
Cn
Cd : couple de d marrage.
Cn : couple nominal.
nn : vitesse de rotation nominale.
On peut aussi tracer la caract ristique lectrique U = f(I)
la vitesse nominale :
U = E + R.I
nn
n
U
Un
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E
I
In
4. DEMARRAGE DU MOTEUR A COURANT CONTINU :
4.1. courant de d marrage :
Au d marrage la vitesse est nulle donc n = 0. Donc E = 0. On peut alors crire :
U = R.ID (ID : courant au d marrage).
Pour les grosses machines R est faible (de lordre de quelques dixi mes dOhms) et pour les petits
moteurs cette r sistance est relativement grande. Ce qui impose de pr voir un circuit permettant de
minimiser ce courant lors de d marrage des grosses machines.
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Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation
4.2. circuit de d marrage :
Pour minimiser ID on peut :
Soit d marrer avec une tension U faible (D marrage
tension r duite).
Soit ajouter une r sistance en s rie avec linduit lors du
d marrage (Rh ostat de d marrage) (voir figure ci
contre).
5. BILAN DES PUISSANCES :
5.1. Lensemble des pertes :
Dans un moteur courant continu on peut distinguer les pertes suivantes :
Pertes m caniques : dues aux frottements et la r sistance a rodynamique du ventilateur.
Pertes magn tiques : dues aux pertes dans le circuit magn tique (pertes par hyst r sis,
pertes par courant de Faucoult).
Pertes Joules : pertes dans les r sistances de linduit et de linducteur
Pj = R.I2 + Re.Ie2 @ R.I2.
La somme des pertes m canique et des pertes magn tiques sappelle pertes constantes (Pc).
5.2. Le rendement :
On appelle le rendement le rapport entre la puissance absorb e et la puissance utile :
La puissance absorb e : Cest la puissance lectrique absorb e par le moteur.
La puissance utile : Cest la puissance m canique disponible sur larbre du moteur.
Pa = U.I
Le rendement s crit :
Pu = Pa Somme(pertes).
Pu = Pa (Pc + Pj).
h =
Pu
Pa
6. REVERSIBILITE DE LA MACHINE A COURANT CONTINU :
La loi de Faraday nonce que si un conducteur se
d place dans un champ magn tique il est le si ge
dune
induite qui
(force lectromotrice)
repr sente la variation du flux dans le temps travers
cette spire.
fem
De ce principe d coule le fonctionnement en
g n ratrice de la machine courant continu.
Si larbre de la g n ratrice est entra n e en rotation,
entre les bornes de linduit on peut mesurer une
tension U proportionnelle la vitesse de rotation.
Une application tr s connue de ce fonctionnement
est la dynamo de la bicyclette.
Chapitre 2: Convertisseur lectrom canique
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7. ALIMENTATION DU MOTEUR :
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U
M
Montage avec un seul sens de marche
Pour inverser le sens de
rotation il suffit dinverser
la tension dalimentation du
moteur : selon la position
des commutateurs 1 et 2 le
moteur tourne soit dans le
sens 1 soit dans le sens 2.
1
M
2
Montage avec deux sens de marche
8. FONCTIONNEMENT A VITESSE VARIABLE :
On peut envisager plusieurs cas dans lesquels on a besoin de faire
fonctionner le moteur courant continu vitesse variable. Pour arriver
ce r sultat, une mauvaise solution (mais qui est quand m me
applicable dans certains application ou la notion de pertes nest pas
primordiale) consiste mettre une r sistance variable en s rie avec le
moteur. La vitesse maximale est atteinte en prenant RV = 0.
Une deuxi me solution consiste utiliser un hacheur. Dans ce cas
laction sur le rapport cyclique permet de varier la valeur moyenne de
la tension de commande et par la suite la variation de la vitesse de
rotation du moteur.
E X E R C I C E R E S O L U
RV
U
M
Les caract ristiques dune MCC excitation s par e accoupl e une charge m canique sont les
suivantes :
Flux constant k = 4.8 ; r sistance dinduit R = 0.5 ; couple de pertes collectives Tp = 1 mN
(constant quelque soit la vitesse) ; la charge m canique accoupl e oppose un couple r sistant
Tr de 10 mN 157.08 rad/s.
1. Calculer le courant de d marrage (sans circuit de d marrage) de la machine si la tension
U=120v.
2. Calculer la FCEM E pour la vitesse 157.08 rad/s.
3. Calculer les pertes joules de la machine. En d duire le rendement.
CORRIGE :
1. ID = U/R
ID = 240 A.
2. E = (k/2p).W = 0.764 x 157.08 AN
3. Il faut tout dabord calculer le courant dinduit :
E = 120 V.
AN
I = 2. p.C/k
Donc Pj = R.I2
AN
AN
I = 13 A.
Pj = 85.6 W.
Pour calculer le rendement on doit tout dabord calculer la puissance absorb e :
Pa = U.I
AN
Pa = 1560 W.
Calcul des pertes constantes :
Donc
h = (Pa-Pc-Pj)/PaAN
h = 84.4 %
Pc = Tp. W
AN
Pc = 157.08 W.
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Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation
E X E R C I C E S N O N R E S O L U S
Exercice 1 :
Une m thode pour freiner le moteur courant continu consiste le brancher sur une r sistance R. Cette
technique quon appelle freinage rh ostatique permet dacc l rer le freinage.
Donner un montage avec contacteurs permettant un d marrage deux sens de marche avec un freinage
rh ostatique. La console de commande contient 4 boutons poussoirs :
S1 : Marche sens 1.
S2 : Marche sens 2.
Fr : Freinage rh ostatique.
Au : Arr t durgence (Couper lalimentation et laisser le moteur ralentir).
U
M
R
U
M
Rotation
Freinage
Exercice 2 : ETUDE DUNE MACHINE A COURANT CONTINU
Caract ristiques
U
I
M
W
Inducteurs aimants permanents
Induit : r sistance R = 4,0 W
constante de f. .m. et de couple : k = 0,30 V.s.rad- 1
intensit nominale : In = 4,0 A
Les frottements ainsi que les pertes dans le fer seront n glig s.
On notera en outre :
Ce
W
n
E
U
le moment du couple lectromagn tique,
la vitesse angulaire de rotation,
la fr quence de rotation en tr/s,
la FEM ; E = k W ,
la tension aux bornes de la machine,
1.1. Etablir l'expression du moment du couple lectromagn tique,
1.2. Pour le courant nominal d'intensit In, calculer les valeurs num riques de la tension d'alimentation
U et du moment du couple lectromagn tique pour les fr quences de rotation
a) n = O
b) n = 50 tr/s
1.3 On applique sur larbre de la machine, un couple r sistant, de moment CR = 0, 80 N.m.
1.3.1. Quelle relation lie les moments des couples lectromagn tique et r sistant en r gime
permanent ?
1.3.2. D terminer la relation exprimant W en fonction de U, R, k et C R en r gime permanent.
1.3.3 A partir de quelle valeur de lintensit I, le moteur peut-il d marrer ? Quelle est la
tension U correspondante ?
1.4 Quelle tension U maximale doit-on simposer au d marrage pour que lintensit Id de d marrage
demeure inf rieure 1.25 In ?
Chapitre 2: Convertisseur lectrom canique
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