Transcript MEC-743, cours n°9 Actionneurs Moteurs électriques

MEC-743, cours n°9
Actionneurs
Moteurs électriques
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Le génie pour l'industrie
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Page 1
Objectifs de la séance
Introduction aux différents moteurs électriques utilisés dans
le contrôle de procédés:




Moteur DC (avec et sans balais)
Moteur AC asynchrone (mono ou triphasé)
Moteur universel
Moteur pas à pas
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Électromagnétisme et
machines électriques
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Flux magnétique
•
Le flux magnétique  désigne l’intensité d’un champ magnétique
qui traverse une aire donnée. Ce champ magnétique est dû à la
présence de matière aimantée ou à la circulation de courants
électriques. L’intensité du flux magnétique est exprimée en
weber (symbole Wb)
•
La densité de flux magnétique B, aussi appelée induction
magnétique, répond à la relation suivante: B   A
où A désigne la section traversée
par le flux. La densité de flux
magnétique est exprimée en tesla
(symbole T). Un tesla équivaut à
un weber par mètre carré (Wb/m2).
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Règle de la main droite
Si l’on tient le conducteur dans la main droite et que le
pouce est orienté dans le sens du courant, les doigts
pointent dans le sens du flux
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Champ dans un solénoïde
Solénoïde
Aimant permanent
La force magnétomotrice d’un solénoïde (FMM) désigne son aptitude à
produire un champ magnétique intense
FMM  N  I
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Force magnétique
•
Les pôles opposés s’attirent /
les pôles de même polarité
se repoussent
•
Plus les lignes de force sont
denses,
plus
la
force
magnétique est élevée
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Relais (Force magnétique)
•
•
•
Lorsque le courant passe dans la bobine, des pôles N-S
apparaissent aux extrémités du noyau.
Une armature de fer doux, placée au dessus du noyau,
s’aimante par influence et est attirée vers le noyau.
Lorsque le courant cesse dans la bobine, l’armature est
ramenée par le ressort.
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Force électromagnétique
Force exercée sur un conducteur électrique parcouru
par un courant (Force de Laplace)
I
B
F
F  I BL
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Application: haut-parleur
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Couple exercé sur un cadre
T  Fd
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Moteurs DC
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Principe de fonctionnement
Lorsqu'un courant électrique
passe par un cadre conducteur
soumis à un champ magnétique,
une force électromagnétique
produit un couple moteur sur
ce cadre
F
F=IBL
T=Fd
B
I
I
I
B
F
Le courant est transmis au
rotor au travers d'un dispositif
de commutation
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F
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Système de commutation
F
F
0°
45°
I
90°
I
I
I
F
I
I
F
F
15°
60°
I
105°
I
I
F
I
I
I
F
F
30°
75°
I
I
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120°
I
I
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I
I
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Principe de fonctionnement
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Construction du moteur
•
Le circuit inducteur (circuit de champ) est porté par le stator. Sous
l’effet d’un courant continu, il produit un flux magnétique qui traverse
l’induit. Le circuit inducteur est parfois remplacé par des aimants
permanents (Permanent magnet DC motor).
•
Le circuit induit (circuit d’armature) est porté par le rotor.
•
Lorsque le rotor tourne, les balais et le collecteur forment un système
de commutation mécanique qui oriente le courant de l’induit dans
chacun des enroulements à tour de rôle.
rotor
collecteur
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Construction du moteur
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Équation électrique
• En raison de la rotation de l’induit dans le champ
magnétique, une tension est induite à ses bornes (loi de
l’induction électromagnétique de Faraday)
E0  ka   p  
• La vitesse de rotation de l’induit est déterminée par un
équilibre entre le couple produit et la charge mécanique
entraînée.
T  ka   p  I a
Ia 
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Es  E0
Ra
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Moteur à aimant permanent
Caractéristiques:
• Flux magnétique constant
• Variation linéaire de la vitesse avec la charge
• Mêmes caractéristiques avec les moteurs à
excitation séparée
Applications:
• Systèmes asservis
• Applications domestiques à très faible
puissance (jouets, lecteur de cassettes, …)

E S Ra

T
k t k t2
T
kt
 E S  k t   
Ra
où k t  k a  
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Moteur shunt
Ra
Caractéristiques:
• Faible variation de la vitesse avec la
charge
• Couple de démarrage proportionnel au
carré de l'alimentation
Rf
Es
If
Ia
E0
Applications:
• Machine outil (tournage, fraisage, …)

Rf

Ra R 2f
k  E 
k  E    R
T
k
2
S
2
S
2
f
Ra R
où k 
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T




 k


f
ka  ka  N

If

car,  
N If

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Moteur série
Caractéristiques:
Ra
• Chute rapide de la vitesse avec la charge
• S'emballe à vide
Rf
Es
If
Applications:
Ia
E0
• Système de levage (grue, …)
• Démarreur d'automobile
• Ventilateur

ES
k T

Ra  R f
k
k  E S2
T
k    Ra  R f 2
où k 
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ka  ka  N

If

car,  
N If

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Contrôle de la vitesse
• La tension d’alimentation ES permet d’ajuster la vitesse
des moteurs DC.
• Deux options sont disponibles pour les systèmes de
contrôle:
 Contrôle d’une tension
convertisseur DAC
DC
produite
grâce
à
un
 Contrôle d’une tension DC moyenne produite grâce à la
modulation PWM d’une tension d’alimentation
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Contrôle de vitesse par PWM
Vmoy  V 
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largeur d'impulsion
période
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Moteurs asynchrones
(Moteurs à induction)
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Champ magnétique tournant
ns
F
N
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S
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Moteur triphasé
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Vitesse synchrone
120 f
ns 
p
4 f
s 
p
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ns: vitesse de rotation du champ
(vitesse synchrone) en tr/min
s: vitesse de rotation du champ
(vitesse synchrone) en
rad/sec
f:
fréquence de la source en
Hz
p:
nombre de pôle par phase
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Moteur triphasé
•
La vitesse de rotation des moteurs AC se stabilise à des valeurs
légèrement inférieures (de l’ordre de 3%) à la vitesse
synchrone.
•
Cet écart entre la vitesse synchrone et la vitesse de rotation du
moteur (glissement s) dépend essentiellement du couple requis
par la charge.
s
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ns  n
ns
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Moteur monophasé
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Composantes du champ pulsatif

1


  0 cost 
 1   2
où
1 
0
cost   j sin t   0  e jt
2
2
et
2 
0
cost   j sin t   0  e  jt
2
2
2
Champs tournants
de sens opposés
 Le champ pulsatif du stator agit sur le rotor de la même façon que deux
champs tournants de sens opposés
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Relation couple-vitesse
Moteur triphasé
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Mono et triphasé
Monophasé
Triphasé
Caractéristiques
• Rendement de l’ordre de
60 % seulement
• Faible facteur de
puissance relativement
au moteur triphasé
• Plus bruyant qu’un
moteur triphasé
• Limité aux moteurs de
moins de 10 kW
• Rendement de l’ordre de
90 %
• Facteur de puissance
supérieur à 80 %
• Fonctionnement
silencieux
• Faible couple de
démarrage
Applications
• laveuse et sécheuse à
linge
• banc de scie
• Pompe et compresseur
domestiques
• Très grande majorité des
applications industrielles
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Contrôle de la vitesse
120  f
ns 
p
n  ns 1  s 

120

 f  1  s 
n
p


Varie en fonction
de la charge
Possibilité de varier la vitesse du
moteur en variant la fréquence
de l'alimentation au stator
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Variateur de vitesse
• Les variateurs de vitesse sont des systèmes de
conversions électroniques principalement constitués d'un
redresseur et d'un hacheur.
• Le redresseur permet d'obtenir une tension quasi
continue.
• Le hacheur module la
tension continue de façon
à obtenir un train
d'impulsions de largeur
bien définie. La largeur et
la périodicité de ces
impulsions permet de
varier la valeur efficace et
la fréquence du courant
fourni au moteur.
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Variateur de vitesse
moteur
redresseur
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Hacheur/onduleur
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Courbes T vs n
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Économie d'énergie
Régulation d'un débit
Sans contrôle de vitesse:
Moteur utilisé à vitesse nominale
Régulation du débit en contrôlant
la restriction dans les conduites
Avec contrôle de vitesse:
Aucune restriction
Régulation du débit en contrôlant
la vitesse du moteur
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Limitations
• L’utilisation d’un variateur de vitesse génère
harmoniques dans l’alimentation du moteur.
des
• Ces harmoniques ont pour effet de réduire le rendement
et d’augmenter le bruit de ces moteurs par rapport aux
mêmes moteurs alimentés en courants alternatifs.
• Problème plus important à basse
fréquence.
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Problème des harmoniques
Dues à une alimentation composée d’impulsions et non d’un
signal sinusoïdal
• Augmentation des pertes de fer
 Échauffement du moteur et réduction
du rendement
• Pulsation du couple
 Vibrations et augmentation du bruit
** Problème qui se manifeste principalement
à basses vitesses
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Moteurs universels
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Généralités
•
Moteur série monophasé
•
Identique au moteur série à courant continu à l’exception du
circuit magnétique du stator (pôles et culasse) qui doit être
lamellé
•
Peut fonctionner indifféremment en courant alternatif ou en
courant continu
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Circuit électrique équivalent
T  ka   p  I a  ksr  I a2
E0  ka   p    ksr  I a  
Couple pulsé
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Performance
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Performances
Moteur universel
Caractéristiques
• Rendement de l’ordre de 50 % seulement
• Moins volumineux et moins lourd que les autres types
de moteurs monophasés de même puissance
• Chute rapide de la vitesse avec la charge
• S’emballe à vide
• Fort couple au démarrage (proportionnel au carré de
l’alimentation)
• Moteur bruyant en raison de la puissance pulsée
Applications
• Aspirateur domestique
• Petites machines-outils
• Locomotive électrique (grande vitesse sur un terrain
plat, faible vitesse en ascension)
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MEC-545, cours n°9
Moteur DC sans balais &
Moteur pas à pas
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Moteurs DC sans balais
(brushless DC motor)
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Moteur DC sans balais
•
Le rotor consiste en un aimant permanent
ferromagnétique (moteur à réluctance variable).
•
Le stator produit un champ magnétique tournant synchronisé avec la
rotation du rotor. Cette synchronisation est rendue possible par
l’utilisation de détecteurs de proximité (capteur à effet Hall) et par la
commutation électronique du courant circulant dans les enroulements
du stator.
•
L’entretien de ces moteurs est facilité par l’absence de balais.
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ou
un
noyau
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Configuration et principe
Wildi, fig. 43-36
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Génération du champ tournant
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Synchronisation
Animation
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Moteur DC sans balais
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Avantages
En raison de l’absence de balais:
• Ne requiert aucun entretien (fiable)
• Ne produit pas de poussière carbonée
• Moins bruyant qu’un moteur DC conventionnel (frottement
des balais)
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Moteurs pas à pas
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Moteur pas à pas
•
Le rotor consiste en un aimant permanent ou un noyau
ferromagnétique (moteur à réluctance variable).
•
Sous l’action d’impulsions électriques au niveau du stator, la
position du rotor s’incrémente ou se décrémente d’une fraction
de tour (un pas)
•
La résolution du moteur dépend du nombre de pôles au rotor et
au stator de même que de la séquence de commutation entre
les pôles
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Mode d’excitation
•
Pas entier: Chacune des paires d’enroulement sont activées
séquentiellement.
•
Demi-pas: Deux paires d’enroulement adjacent sont activées
simultanément afin de définir une position intermédiaire.
•
Micro-pas: L’amplitude des courants circulant dans deux paires
d’enroulement adjacent est modulé de façon à contrôler la
position angulaire du champ magnétique résultant.
Fonctionnement en
pas entier
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Fonctionnement en
demi-pas
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Mode en demi-pas
Wildi, fig. 39-18
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Couple moteur
 
T   Tholding sin   
 2S 
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La réponse à un pas
•
En raison de l’inertie de la
charge, la réponse du rotor à
un pas peut être celle d’un
système du deuxième ordre
sous-amorti (dépassement
et oscillation autour de la
position finale).
•
L’amortissement de l’oscillation est due au frottement
des paliers.
•
Cette réponse oscillatoire
peut
entraîner
des
phénomènes de résonance.
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Zones de fonctionnement
: Zone de blocage-arrêt
: Zone de survitesse (slewing mode)
: Zone de perte de synchronisation
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Synchronisation
Retour
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Synchronisation
Retour
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Synchronisation
Retour
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Synchronisation
Retour
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Synchronisation
Retour
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Synchronisation
Retour
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