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pilotage moteur CC



  1. #1
    Maxou49bis

    pilotage moteur CC


    ------

    Bonjour à tous.

    Je pense que je vais poser une question qui va sembler bête à beaucoup de monde mais tant pis...

    Je me demandais pourquoi on doit avoir recours à un hacheur pour contrôler la vitesse d'un moteur à courant continu ? Un simple potentiomètre ne peut-il pas faire la même chose ?

    Merci d'avance.

    -----

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  3. #2
    Yoruk

    Re : pilotage moteur CC

    Salut,

    La vitesse d'un moteur CC est fonction de sa tension (continue) d'alimentation. Il est possible de faire varier cette dernière en utilisant un potentiomètre, mais la puissance dissipée par ce dernier serait trop importante... Il existe des "rhéostats" (potentiomètre de puissance), mais c'est dépassé...

    L'idée est d'utiliser un hacheur, qui va "découper" ta tension suivant un certain rapport cyclique... La valeur moyenne de cette tension d'alimentation étant variable (elle varie en fonction du rapport cyclique), la vitesse du moteur CC varie, sans utiliser de potentiomètre, et avec un bon rendement...
    La robotique, c'est fantastique !

  4. #3
    gienas

    Re : pilotage moteur CC

    Bonjour Maxou49bis et tout le groupe

    Citation Envoyé par Yoruk Voir le message
    ... La vitesse d'un moteur CC est fonction de sa tension (continue) d'alimentation ...
    C'est parfaitement exact.

    Pour appuyer un peu plus là où cela fait mal, on peut ajouter que cette tension doit pouvoir fournir de fortes intensités, qui se chiffrent souvent en ampères. (la puissance électrique à fournir au moteur est supérieure à la puissance mécanique restituée)

    Si cette réduction se fait à partir d'une tension d'alimentation fixe (cas général), la différence de tension se trouve aux bornes de la résistance chutrice, sous l'intensité nécessaire, ce qui représente une puissance perdue Pp dissipée par effet Joule.

    Quand Pp dépasse quelques watts, elle est "facturée" quand-même bien que perdue, ce qui n'est pas écologique de nos jours.

    Mais, plus grave pour les électroniciens: cela engendre des échauffements parfois très importants, difficiles à gérer, rendant fragiles les éléments voisins.

    Le découpage se faisant au moyen "d'interrupteurs", (les plus parfaits possibles), la puissance perdue dans cette commutation est presque négligeable.

    Bien entendu, c'est plus complexe, plus polluant en matière de parasites, mais le jeu en vaut vraiment la chandelle.
    Dernière modification par gienas ; 15/05/2014 à 10h00.

  5. #4
    IC-CD0000

    Re : pilotage moteur CC

    Bonjour à tous,

    Je plussoie pour les réponses, j’ajoute juste qu’avec un hachage on a la pleine tension et courant (donc pleine puissance) durant un bref instant, tandis qu’avec un réhostat la tension et le courant sont réduits (on ajoute une résistance), donc la puissance est divisée par 4. A petite vitesse, le couple avec un hachage sera bien plus grand qu’avec un réhostat (ça rejoint ce qui a été dit sur le rendement et les pertes). Bonne journée

  6. #5
    Zenertransil

    Re : pilotage moteur CC

    Euh... Là, je ne suis pas vraiment d'accord, mais l'erreur vient peut-être de moi.


    Lorsqu'on choisit judicieusement la fréquence de découpage par rapport à la constante de temps électrique de la machine, le courant n'est pas maximal puis nul puis maximal puis nul... Etc, et heureusement: oscillations de couple = destruction rapide de l'arbre s'il n'est pas surdimensionné! Le filtre passe-bas naturel (RL) constitué par le moteur lisse le courant, et celui-ci n'a pas une allure de créneaux mais de morceaux d'exponentielles, voire de segments si Tau >> 1/f. La recirculation se fait par la diode de roue libre.

    Donc le courant est quasiment constant, le couple est quasiment constant, et la vitesse aussi, ce n'est pas qu'une question d'inertie mécanique. On a la pleine tension aux bornes de l'induit, mais il y a l'inductance! On dit pour simplifier que le moteur tourne, qu'il ne tourne plus, qu'il tourne, qu'il ne tourne plus... Etc, mais il ne me semble pas que cela soit exact: lorsque le transistor est bloqué, le courant décroît et la tension aux bornes de l'inductance s'inverse (elle devient générateur): elle cherche à s'opposer à cette diminution et si on a bien choisi la fréquence, elle le fait très bien: le courant fluctue peu, et... La FEM aussi.

    Pour un MCC on ne peut pas séparer inductance propre, résistance propre et FEM puisque c'est "un tout", mais ça se voit aisément avec un convertisseur Buck, qui n'est qu'un hacheur série avec un filtre LC de sortie: le basse-bas aidant, la tension de sortie n'est pas en créneaux mais quasiment continue, et le courant dans l'inductance ne s'annule jamais dans la plage utile de rapport cyclique.


    Conclusion: un hacheur série alimentant un induit de MCC avec des réglages bien faits se comporte à chaque point de fonctionnement... Comme un rhéostat! Et le moteur, grâce à son inductance (et celle qu'on ajoute parfois, comme sur les redresseurs commandés qui travaillent à fréquence plus basse), ne voit normalement ni la tension maxi, ni le courant maxi: il voit un courant presque constant et a une FEM presque constante, ce qui est idéal. La vitesse est stable même à vide, et le couple l'est aussi!

    Mais j'ai bien dit "à chaque point de fonctionnement", car lorsqu'on tire du courant, la valeur du "rhéostat fictif" diminue: contrairement à une vraie résistance, il ne s'oppose pas à l'augmentation du courant. En fait, le hacheur série, c'est plutôt une "chute de tension" pure, théoriquement indépendante du courant qui la traverse (une grosse Zener idéale, en somme), à cela près que cette chute de tension ne dissipe aucune puissance.


    Mais on a jamais la pleine puissance avec un rapport cyclique différent de 1, même pendant un court instant, ou alors quelque chose m'échappe (ce qui n'est pas impossible)!
    Dernière modification par Zenertransil ; 15/05/2014 à 12h50.

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    Maxou49bis

    Re : pilotage moteur CC

    Merci à tous pour ces réponses très claires.

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  10. #7
    PA5CAL

    Re : pilotage moteur CC

    Bonjour

    Citation Envoyé par Zenertransil Voir le message
    oscillations de couple = destruction rapide de l'arbre s'il n'est pas surdimensionné!
    Fort heureusement, dans la majorité des cas, les variations du couple du moteur sont insuffisantes pour casser l'arbre. Ce problème n'apparaît que sur les grosses machines tournantes.

    Citation Envoyé par Zenertransil Voir le message
    On dit pour simplifier que le moteur tourne, qu'il ne tourne plus, qu'il tourne, qu'il ne tourne plus...
    Non, ce qu'on dit, c'est que le moteur est alimenté, puis il ne l'est plus, puis il l'est de nouveau, etc. ... On agit sur l'énergie fournie au moteur, grossièrement sur son accélération, mais pas (directement) sur sa vitesse.


    Quoi qu'il en soit, ici on fait de la vulgarisation. Or, dans l'exposé des principes, faire intervenir l'inductance série équivalente apparaît plutôt comme une complication inutile... et finalement encore inexacte, si l'on veut pinailler (comme tu le suggères toi-même, les paramètres d'un moteur constituent "un tout").

    En première approximation, l'ondulation du courant d'alimentation ne joue que sur les pertes, pas sur la puissance mécanique moyenne produite (ni sur la vitesse ou le couple moyen, par conséquent). Il ne devient important d'en tenir compte que lorsqu'on s'intéresse aux vibrations, à l'échauffement ou à la consommation électrique du moteur.
    Dernière modification par PA5CAL ; 15/05/2014 à 15h39.

  11. #8
    Zenertransil

    Re : pilotage moteur CC

    D'accord, mais je voulais juste dire que, à ma connaissance, un moteur à courant continu bien contrôlé n'a PAS un couple de la forme Tnom/0/Tnom/0/etc, mais plutôt Tmoy tout le temps (dont on s'éloigne plus ou moins). A ma connaissance toujours, lorsqu'on fait une étude simplifiée d'un motovariateur à courant continu, qu'il contienne un hacheur ou un redresseur commandé, on admet que le courant est constant (ce qui n'est pas tout à fait faux pour de grosses machines) et que le couple l'est aussi, jamais qu'il est tellement peu lissé qu'il a la même forme que la tension, ici des créneaux.

    En somme, c'est assez paradoxal: on admet que I est constant, donc on néglige l'inductance puisque dI/dt=0... Alors que c'est parce que l'inductance est là et suffisamment grande que dI/dt=0! C'est un point de détail, mais ça peut surprendre au premier coup d'œil. Ca fait partie des "axiomes" obligatoire quand on veut simplifier... I=cste permet de calculer très rapidement la puissance active, de garantir la conduction ininterrompue, etc, sans d'éloigner trop de la réalité

    C'est, pour les oscillations de couple, effectivement une question de puissance et j'ai tendance à oublier qu'on est dans le forum "électronique"! Mais c'est un phénomène à ne pas négliger lorsqu'on atteint quelques kVA, quelques dizaines de kVA et plus, c'est d'ailleurs la raison d'être des alternateurs polyphasés. Je regrette que, dans le cadre scolaire, lorsqu'on aborde le régime triphasé, on omette souvent ce point.



    Bonne fin de journée!
    Dernière modification par Zenertransil ; 15/05/2014 à 16h37.

  12. #9
    IC-CD0000

    Re : pilotage moteur CC

    Hello Zenertransil,
    dis-moi si je dis une bêtise, mais il me semble que pour les moteurs de plus d'1kVA, on agit sur la modulation de fréquences (plus ou moins patatoïde, d'accord) pour varier la vitesse (= variateur de fréquences), ou je suis complètement à l'ouest ? cordialement, à+
    Dernière modification par IC-CD0000 ; 15/05/2014 à 17h03.

  13. #10
    PA5CAL

    Re : pilotage moteur CC

    Non, l'inductance n'est pas forcément un "axiome obligatoire".

    Par exemple, on peut parfaitement alimenter avec un courant très haché (PWM à basse fréquence) un petit moteur CC sans que cela se ressente sur l'effet de la commande. Le hic, c'est que le moteur chauffera certainement plus que le hacheur, mais cela peut justement être un choix technologique (notamment pour réduire la dissipation dans le hacheur, par abaissement de la fréquence et commutation à courant faible ou nul).

    Faire I=Constante permet de calculer rapidement la puissance, soit, mais le but recherché est rarement de soulager le cerveau du concepteur.


    On peut faire une comparaison rapide des fonctionnements avec et sans courant constant à partir d'une modélisation simple du hacheur (rapport cyclique ) et du moteur tournant à vitesse constante (f.e.m. =constante) :

    MCC.png

    • À gauche, l'inductance série (interne et externe) est prépondérante dans le fonctionnement (PWM à haute fréquence) et le courant est constant.

    Pour un rapport cyclique , le courant est constant lorsque :


    La puissance de sortie obtenue est :


    Le moteur doit dissiper :



    • À droite, l'influence de l'inductance série est négligeable dans le fonctionnement (PWM à basse fréquence) et le courant est de forme quasi-rectangulaire.

    La puissance de sortie obtenue est :


    Le moteur doit dissiper :



    Finalement, dans les deux cas la puissance produite est la même. La différence réside dans la dissipation dans le moteur (échauffement) due à la présence de , qui est plus importante quand l'inductance n'intervient pas et quand le rapport cyclique est médian.
    Dernière modification par PA5CAL ; 15/05/2014 à 18h06.

  14. #11
    Zenertransil

    Re : pilotage moteur CC

    Rebonjour,


    Je crois qu'on ne parle pas de la même chose...

    Dans les derniers messages on parlait de pédagogie et de vulgarisation (comme tu l'as très bien dit), donc si, le but est de soulager le cerveau de celui qui essaye de comprendre le principe global de la MCC et/ou du hacheur série. Bon, sinon, j'ai du mal à saisir l'intérêt du choix technologique impliquant l'usage d'une fréquence trop basse: ondulations de couple et efforts sur l'arbre, parasitage électromagnétique et consorts pour pas grand chose! Franchement, je ne vois pas d'avantages à travailler en conduction interrompue... Certes, les interrupteurs chauffent moins, mais à quel prix? Réduction drastique des performances, et augmentation conjointe de l'impact du motovariateur sur ton environnement (électromagnétique et électrique si raccordé au réseau)

    Oui, la puissance active est la même, mais la puissance active n'est que la MOYENNE, hors l'écart type a son mot à dire et on en revient aux problèmes causés par la puissance fluctuante en alternatif monophasé. Le transfert de puissance est beaucoup moins "propre" lorsque celle-ci oscille fortement autour de sa moyenne, même si sur le papier c'est la même quantité d'énergie par unité de temps! Alors encore une fois ça dépend de la taille des machines, mais lorsque ça devient sérieux, si la charge est suffisamment inertielle et que le courant efficace est fortement supérieur au courant moyen, c'est l'élasticité de l'arbre qui fait l'adaptation. Dès quelques kilowatts, c'est tout sauf négligeable...

    A ma connaissance, on maîtrise aujourd'hui suffisamment les interrupteurs statiques (surtout pour des puissances ridicules, puisque c'est de cela qu'il est question ; au dessus, il est absolument impensable de travailler en conduction interrompue sauf pour des rapports cycliques très, très petits) pour atteindre des fréquences suffisantes pour avoir un courant bien lisse, sans pour autant devoir prendre des dissipateurs 10 fois plus imposants.



    Lorsque je parlais "d'axiome obligatoire", donc, c'était pour simplifier une étude pédagogique (on s'ôte l'inductance de la tête car elle n'est pas nécessaire à la compréhension des bases, mais on peut considérer qu'elle n'est pas là parce qu'elle... est là): pour obtenir des calculs moins lourds, on accepte certaines choses, plus ou moins distantes du cas réel. Sur de grosses machines, c'est tout sauf aberrant! Évidemment, sur un moteur de 1W alimenté à 10Hz, ce n'est pas vrai. Mais dans un cas pareil, on peut monter la fréquence sans trop d'ennuis, même si les transistors dissipaient autant que ce qui est fourni au moteur, ça resterait une perte supportable! Et l'arbre qui, pour permettre un assemblage plus facile avec ce qu'il entraîne, est de dimensions bien supérieures à ce qui serait nécessaire dans cette partie du plan couple/vitesse, se laissera faire sans broncher. Quand on rentre dans la "vraie" électrotechnique, ce n'est plus le cas, et de loin! Un arbre plus gros, c'est plus de masse, plus de coût, une constante de temps mécanique supérieure, etc. Bref, rien de bien agréable, alors on s'arrange pour ne pas en arriver là!

  15. #12
    Zenertransil

    Re : pilotage moteur CC

    Bonjour,

    Citation Envoyé par IC-CD0000 Voir le message
    Hello Zenertransil,
    dis-moi si je dis une bêtise, mais il me semble que pour les moteurs de plus d'1kVA, on agit sur la modulation de fréquences (plus ou moins patatoïde, d'accord) pour varier la vitesse (= variateur de fréquences), ou je suis complètement à l'ouest ? cordialement, à+
    Tu parles bien des moteurs à courant continu? J'ai, de mon expérience assez faible (on comprend facilement pourquoi) toujours vu des hacheurs travailler à fréquence fixe, même si elle est parfois paramétrable (pour s'adapter aux constantes de temps, justement), on le fait alors "une fois pour toutes".

    Mais industriellement parlant, à partir d'1kW et parfois en dessous, lorsque des moteurs à courant continu sont encore utilisés (ça devient rare, les moteurs asynchrones sont plus simples d'emploi et moins chers, même si la variation de vitesse est plus complexe), j'ai plutôt vu des redresseurs commandés que des hacheurs. Forcément: un hacheur à alimentation triphasée (c'est toujours le cas en industrie, c'est plus performant et ça évite de déséquilibrer le réseau), c'est 6 diodes, un filtre (souvent des capacités seules), quatre transistors de découpage et encore quatre diodes, tout cet attirail devant supporter près de 600V. Et si on veut pouvoir freiner le moteur, il faut encore ajouter un transistor et une résistance de freinage, ou un module de renvoi d'énergie sur le réseau (onduleur assisté).

    Si on utilise un redresseur commandé, côté puissance c'est 12 thyristors, point barre. Et un thyristor, ça supporte des fortes tensions et des forts courants sans broncher! Deux ponts PD3 tout thyristors montés tête bêche, ça permet de travailler dans les quatre quadrants. Fonctionnement moteur dans les deux sens, freinage dans les deux sens AVEC RENVOI SUR LE RÉSEAU! Avec une robustesse à toute épreuve... Par contre ça travaille à 300Hz, donc pas de soucis avec les gros moteurs, pour les "petits" (c'est subjectif) on ajoute une inductance série, qui vient s'ajouter à celle de l'induit: le courant sera bien lisse, ce qui n'a que des avantages dans ce cas.


    Mais tout ça, c'est à fréquence fixe (pour le redresseur c'est obligatoire, puisque ça dépend du réseau), du moins il me semble! Est-ce que tu ne parlerait pas plutôt des moteurs à courant alternatif, comme le moteur synchrone et surtout le moteur asynchrone (le plus plébiscité industriellement parlant: zéro entretien, et n'est pas "capricieux" au démarrage ; tu le branches, il tourne). Ces moteurs voient leur vitesse varier proportionnellement (moteur synchrone) ou quasiment proportionnellement (moteur asynchrone) à leur fréquence d'alimentation, alors que la tension n'a pas de rôle direct (mais le couple dépend du courant, hors trop peu de tension = un courant maximal pas forcément suffisant à cause de l'impédance des enroulements), donc on les pilote en fréquence.

    On utilise la MLI: on module (compare) une onde triangulaire de fréquence élevée par une onde sinusoïdale de référence, dont la fréquence varie. On obtient un signal à états discrets, apte à commander les transistors du pont en H triphasé, qui va générer dans les enroulements des courants parfaitement sinusoïdaux (pareil que pour le MCC: bobine + résistance, ça filtre!), et donc un couple constant. Je travaille en ce moment avec un Altivar 71 (le plus haut de gamme de chez Schneider, mais il existe de quelque chose comme 1kW à plus de 200kW), la fréquence de base c'est 4kHz! On peut la monter au besoin jusqu'à 16kHz, avec les inconvénients que ça entraîne, car 4kHz est dans la majorité des cas bien suffisant. Un signal logique de 4kHz, donc, qui va reproduire un signal sinusoïdal de quelques dizaines de Hz et dont la fréquence peut varier: elle fera varier la vitesse!



    Bonne soirée à tous!
    Dernière modification par Zenertransil ; 15/05/2014 à 19h18.

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  17. #13
    PA5CAL

    Re : pilotage moteur CC

    Citation Envoyé par Zenertransil Voir le message
    Bon, sinon, j'ai du mal à saisir l'intérêt du choix technologique impliquant l'usage d'une fréquence trop basse: ondulations de couple et efforts sur l'arbre, parasitage électromagnétique et consorts pour pas grand chose! Franchement, je ne vois pas d'avantages à travailler en conduction interrompue... Certes, les interrupteurs chauffent moins, mais à quel prix? Réduction drastique des performances, et augmentation conjointe de l'impact du motovariateur sur ton environnement (électromagnétique et électrique si raccordé au réseau)
    L'intérêt, c'est par exemple de pouvoir commander un petit moteur avec un charge possédant une bonne inertie à l'aide d'un hacheur à bas coût, sans radiateur ni inductance, léger et peu volumineux. Cela se justifie d'autant plus lorsque le système est prévu pour tourner la majorité du temps à pleine vitesse, le hacheur ne servant qu'au démarrage et au freinage en douceur.

    Citation Envoyé par Zenertransil Voir le message
    Oui, la puissance active est la même, mais la puissance active n'est que la MOYENNE, hors l'écart type a son mot à dire et on en revient aux problèmes causés par la puissance fluctuante en alternatif monophasé.
    Exactement. Sauf que force est de constater que ce problème n'empêche pas qu'on fasse fonctionner de nombreux appareils électroménager avec des moteurs CC directement sur du 230V monophasé à 50Hz.

    Un courant constant arrange bien des choses, notamment pour les grosses machines. Mais cela n'en fait absolument pas une obligation dans tous les cas de figure, notamment pas pour les petites machines. C'était le fond de mon propos.

  18. #14
    IC-CD0000

    Re : pilotage moteur CC

    Citation Envoyé par Zenertransil Voir le message
    ...Mais tout ça, c'est à fréquence fixe (pour le redresseur c'est obligatoire, puisque ça dépend du réseau), du moins il me semble! Est-ce que tu ne parlerait pas plutôt des moteurs à courant alternatif, comme le moteur synchrone et surtout le moteur asynchrone (le plus plébiscité industriellement parlant: zéro entretien, et n'est pas "capricieux" au démarrage ; tu le branches, il tourne). Ces moteurs voient leur vitesse varier proportionnellement (moteur synchrone) ou quasiment proportionnellement (moteur asynchrone) à leur fréquence d'alimentation, alors que la tension n'a pas de rôle direct (mais le couple dépend du courant, hors trop peu de tension = un courant maximal pas forcément suffisant à cause de l'impédance des enroulements), donc on les pilote en fréquence.
    re-moi,
    Oui tu as raison, la quinzaine de variateurs de fréquences que j'ai monté pilotaient des moteurs asynchrones.
    Pour revenir aux moteurs à CC et à ce que j'ai dit en #4, il est indéniable qu'à faible régime et pour une vitesse lente égale, le montage du hachage délivre plus de couple que celui du réhostat, c'est un fait. Si tu en as l'occasion, teste-le !

    [HS] Qui peut aller soutenir notre pauvre ami Maxou49bis parti en dépression depuis ?
    Très bonne journée à tous
    Dernière modification par IC-CD0000 ; 16/05/2014 à 07h04.

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