Moteurs sans balais à courant continu

Définition

Un entraînement à moteur à courant continu sans balais est défini comme un variateur de fréquence autocontrôlé qui utilise un moteur à courant alternatif permanent (PMAC) sinusoïdal. Ce type d'entraînement offre plusieurs avantages notables. Pratiquement sans entretien, il présente une longévité accrue, ce qui en fait un choix fiable pour diverses applications. De plus, il se caractérise par une faible inertie rotative, une friction minimale et des caractéristiques de basse fréquence. En outre, il génère une interférence radio et un bruit minimaux, assurant un fonctionnement lisse et silencieux. Cependant, il n'est pas exempt de défauts ; les principales limites sont son coût relativement élevé et son couple de démarrage faible.

Applications

Les entraînements à moteur à courant continu sans balais sont largement utilisés dans une vaste gamme d'industries et de dispositifs. Dans le domaine de l'électronique grand public, ils sont employés dans les platines vinyles, les lecteurs de cassettes et les entraînements de disques durs informatiques. Ils servent également d'entraînements à faible puissance dans les instruments périphériques d'ordinateur et les systèmes de contrôle. Au-delà de l'électronique grand public, leurs applications s'étendent à l'industrie aérospatiale, où la fiabilité et le fonctionnement à faible bruit sont cruciaux. Dans le domaine biomédical, leur précision et leur fonctionnement propre les rendent adaptés à divers dispositifs médicaux. De plus, ils sont couramment utilisés pour entraîner des ventilateurs de refroidissement, fournissant une ventilation efficace et silencieuse dans de nombreux systèmes.

Structure du moteur

La figure ci-dessous illustre la coupe transversale d'un moteur PMAC trapézoïdal triphasé à deux pôles, qui est un composant clé de l'entraînement à moteur à courant continu sans balais. Le moteur comprend un rotor à aimants permanents avec un arc de pôle large, ce qui contribue à son fonctionnement efficace. Le stator est équipé de trois enroulements décalés de 120 degrés les uns par rapport aux autres. Cette configuration spécifique d'enroulement assure un fonctionnement électrique équilibré et une production de couple fluide. Chaque enroulement de phase s'étend sur 60 degrés de chaque côté, optimisant l'interaction du champ magnétique à l'intérieur du moteur et permettant un contrôle précis de sa vitesse et de ses performances.

Les tensions induites dans les trois phases du moteur sont représentées dans la figure ci-dessous. La génération d'une forme d'onde trapézoïdale peut être attribuée à l'interaction spécifique entre le rotor et le stator. Lorsque le rotor tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, pendant la rotation initiale de 120 degrés à partir d'une position de référence, tous les conducteurs supérieurs de la phase A interagissent avec le pôle sud du champ magnétique, tandis que tous les conducteurs inférieurs de la phase A interagissent avec le pôle nord.

Cette couplage magnétique constant dans cette plage angulaire conduit à une tension induite relativement stable, contribuant à la partie supérieure plate de la forme d'onde trapézoïdale. À mesure que le rotor continue de tourner, les orientations changeantes du champ magnétique provoquent la transition de la tension induite, formant finalement la forme d'onde trapézoïdale caractéristique essentielle au bon fonctionnement et au contrôle de l'entraînement à moteur à courant continu sans balais.

Lors d'une rotation de 120 degrés du rotor, la tension induite dans la phase A reste relativement constante. Une fois que la rotation dépasse 120 degrés, certains des conducteurs supérieurs de la phase A commencent à se lier avec le pôle nord, tandis que d'autres continuent d'interagir avec le pôle sud. Le même phénomène se produit avec les conducteurs inférieurs. Par conséquent, au cours de la rotation suivante de 60 degrés, la tension induite dans la phase A s'inverse linéairement. Ce modèle de changement de tension est également reflété dans les phases B et C, créant un comportement électrique coordonné essentiel au fonctionnement du moteur.

Le système d'entraînement à moteur à courant continu sans balais, tel qu'illustré dans la figure ci-dessous, se compose d'un onduleur alimenté par une source de tension associé à un moteur PMAC trapézoïdal. Les enroulements du stator du moteur sont configurés en connexion étoile. La figure représente également la forme d'onde caractéristique de la tension de phase du moteur PMAC trapézoïdal, qui reflète les dynamiques d'induction de tension décrites ci-dessus. Cette forme d'onde est une caractéristique clé qui permet le contrôle et le fonctionnement efficaces de l'entraînement à moteur à courant continu sans balais, facilitant la production de couple fluide et la régulation précise de la vitesse.

Les enroulements du stator du moteur à courant continu sans balais sont alimentés par des impulsions de courant. Chaque impulsion a une durée de 120 degrés électriques et est précisément positionnée dans la région où la tension induite reste constante et atteint sa valeur maximale. Crucialement, la polarité de ces impulsions de courant s'aligne avec celle de la tension induite, assurant une interaction harmonieuse entre les entrées électriques et le champ magnétique généré par le moteur.

Le flux dans l'entrefer du moteur est maintenu à un niveau constant, et l'amplitude de la tension induite est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor. Cette relation est fondamentale pour le fonctionnement du moteur, car elle permet un contrôle précis des performances du moteur en fonction de la tension induite dépendante de la vitesse, permettant un transfert de puissance efficace et un fonctionnement fluide dans diverses conditions de fonctionnement.

Pendant chaque intervalle de 60 degrés de fonctionnement, le courant circule dans une phase des enroulements du stator du moteur et sort d'une autre. Ce schéma de circulation alternée du courant est une caractéristique clé du fonctionnement du moteur à courant continu sans balais. Par conséquent, la puissance fournie au moteur dans chacun de ces intervalles de 60 degrés peut être exprimée par la formule suivante, qui prend en compte l'interaction entre la tension et le courant dans les phases d'enroulement.

Le couple développé par le moteur

La forme d'onde du couple du moteur à courant continu sans balais est illustrée dans la figure ci-dessous. L'amplitude du couple généré par le moteur est directement proportionnelle au courant qui circule dans les liaisons de puissance continue. Cette relation est fondamentale pour comprendre le comportement dynamique et les caractéristiques de performance du moteur.

Le freinage régénératif dans ce système d'entraînement est réalisé en inversant le courant de phase. Lorsque le courant de phase est inversé, la direction de la source de courant Id change également. Cette inversion initie un flux de puissance qui commence au moteur, passe par l'onduleur et retourne finalement à la source de courant continu. Pendant ce processus, le moteur agit comme un générateur, convertissant l'énergie mécanique de la charge en énergie électrique, qui est ensuite réinjectée dans l'alimentation. Cela aide non seulement à ralentir le moteur mais permet également la récupération et la réutilisation de l'énergie, améliorant l'efficacité globale du système.

Lorsque la vitesse de rotation du système d'entraînement est inversée, la polarité des tensions induites à l'intérieur du moteur change également. Ce changement de polarité de la tension déclenche l'opération de freinage régénératif, permettant au système d'entraînement de convertir l'énergie mécanique de la charge en mouvement en énergie électrique qui peut être réinjectée dans l'alimentation.

Inversement, l'inversion de la direction du courant circulant dans les enroulements du moteur initie l'opération de motricité, propulsant le moteur dans la direction souhaitée. Les formes d'onde de courant correspondant à ces modes d'exploitation distincts — freinage régénératif et motricité — sont clairement représentées dans la figure ci-dessous, offrant une représentation visuelle du comportement électrique du système d'entraînement dans différentes conditions.

Types d'entraînement à moteur à courant continu sans balais

L'entraînement à moteur à courant continu sans balais peut être principalement classé en deux types distincts : l'entraînement à moteur à courant continu sans balais à faible coût et l'entraînement à moteur à courant continu sans balais monophasé. Chaque type a ses propres caractéristiques et principes de fonctionnement, qui sont détaillés ci-dessous.

Entraînement à moteur à courant continu sans balais à faible coût

L'entraînement à moteur à courant continu sans balais à faible coût est conçu avec simplicité et économie en tête. Il comporte une configuration minimaliste, constituée de seulement trois transistors et d'un convertisseur à trois diodes. Cette configuration limite l'entraînement à fournir uniquement un courant ou une tension positive au moteur triphasé.

Pendant le fonctionnement, la tension induite et le courant jouent des rôles cruciaux dans les fonctions de motricité et de freinage du moteur. Lorsque des impulsions de courant positives de 120 degrés sont fournies au moteur, cela initie une action de motricité, faisant tourner le moteur dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Inversement, lorsque ces impulsions de courant sont décalées de 60 degrés pour un total de 180 degrés, le moteur passe en mode freinage. Ce changement dans le timing des impulsions de courant modifie effectivement l'interaction entre l'entrée électrique et le champ magnétique du moteur, permettant le passage du mouvement rotatif à un mécanisme de freinage.

Entraînement à moteur à courant continu sans balais à faible coût : Mécanisme de contrôle du courant

Dans l'entraînement à moteur à courant continu sans balais à faible coût, le courant de la phase A est régulé avec précision par le thyristor Tr1 et la diode D1. Lorsque Tr1 est activé (mis sous tension), la tension de source Vd est connectée à l'enroulement A. Cette connexion fait que le taux de variation du courant IA devient positif, signifiant que le courant dans la phase A commence à augmenter. Inversement, lorsque Tr1 est désactivé (mis hors tension), le courant iA entre dans un état de roue libre à travers la diode D1. Pendant ce processus de roue libre, le taux de variation de iA devient négatif, et le courant diminue progressivement.

Au cours de la période de 0 à 120º, Tr1 peut être mis sous et hors tension de manière alternative. Cette stratégie de commutation permet de faire en sorte que le courant réel IA suive de près un courant de référence rectangulaire iA, assurant que la différence entre eux reste dans une bande d'hystérésis prédéfinie. Ce contrôle précis aide à maintenir un fonctionnement stable du moteur et un transfert de puissance efficace.

Entraînement à moteur à courant continu sans balais monophasé

La configuration de l'entraînement à moteur à courant continu sans balais monophasé est illustrée dans la figure ci-dessous. Pour l'analyse, supposons que le moteur est alimenté par un convertisseur monophasé à demi-pont, qui fournit une forme d'onde de courant rectangulaire au moteur, comme illustré dans le diagramme joint. Cette forme d'onde de courant spécifique joue un rôle crucial dans la détermination des caractéristiques de performance et du comportement opérationnel du moteur.

Le couple généré par le moteur présente des fluctuations significatives, communément appelées ondulations de couple. Cependant, lorsque le moteur fonctionne à haute vitesse, l'inertie du système moteur-charge agit comme un filtre naturel. Cette inertie intrinsèque atténue les variations de couple, permettant au moteur de maintenir une vitesse de rotation relativement uniforme malgré la présence d'ondulations de couple.