Contrôle de la Tension pour un Moteur DC

Contrôle de la Tension pour un Moteur DC

Contrôle de la Tension pour un Moteur DC

Contexte : Commande d'un moteur à courant continu.

Les moteurs à courant continu (DC) sont omniprésents en robotique, dans l'industrie et les appareils du quotidien. Leur vitesse de rotation est directement liée à la tension appliquée à leurs bornes. Comprendre cette relation est essentiel pour tout ingénieur souhaitant concevoir des systèmes asservis. Cet exercice se concentre sur le modèle électrique d'un moteur DC et le calcul de sa vitesse en fonction de la tension d'alimentation et de la charge mécanique appliquée.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous familiarisera avec les concepts clés de l'électromécanique. Vous apprendrez à modéliser un moteur DC par un circuit équivalent, à calculer la force contre-électromotrice (f.c.e.m.)Tension générée par la rotation du moteur, qui s'oppose à la tension d'alimentation. Elle est proportionnelle à la vitesse de rotation., et à déterminer le point de fonctionnement (vitesse et courant) du moteur dans des conditions données.


Objectifs Pédagogiques

  • Modéliser un moteur à courant continu par son schéma électrique équivalent.
  • Appliquer la loi des mailles au circuit du moteur.
  • Calculer la force contre-électromotrice (f.c.e.m.) en fonction de la vitesse.
  • Déterminer la vitesse de rotation du moteur à vide.
  • Calculer le courant et la vitesse du moteur en charge.

Données de l'étude

On étudie un moteur à courant continu à aimants permanents, dont le modèle électrique équivalent est une résistance d'induit \(R\) en série avec une source de tension représentant la f.c.e.m., notée \(E\). Le moteur est alimenté par une tension continue \(U\).

Schéma Électrique Équivalent du Moteur DC
U R E M I
Visualisation 3D du Moteur
Paramètre Notation Valeur Unité
Tension d'alimentation \(U\) 12 \(\text{V}\)
Résistance d'induit \(R\) 2 \(\Omega\)
Constante du moteur \(K\) 0.05 \(\text{V} \cdot \text{s} \cdot \text{rad}^{-1}\)
Couple de charge \(\tau_c\) 0.1 \(\text{N} \cdot \text{m}\)

Questions à traiter

  1. Écrire l'équation électrique du moteur (loi des mailles).
  2. Calculer le courant de démarrage \(I_d\) du moteur (à l'instant t=0, la vitesse est nulle).
  3. Calculer la vitesse de rotation à vide \(\omega_0\) (lorsqu'aucun couple de charge n'est appliqué, le courant est quasi nul).
  4. Calculer le courant \(I_c\) consommé par le moteur lorsqu'il entraîne le couple de charge \(\tau_c\).
  5. En déduire la vitesse de rotation en charge \(\omega_c\) du moteur.

Les bases du Moteur à Courant Continu

Un moteur DC est un convertisseur d'énergie électromécanique. Comprenons les équations qui le régissent.

1. L'Équation Électrique
Le circuit électrique de l'induit du moteur peut être modélisé par la loi des mailles de Kirchhoff. La tension d'alimentation \(U\) est égale à la chute de tension dans la résistance d'induit plus la force contre-électromotrice \(E\). \[ U = R \cdot I + E \]

2. La Force Contre-Électromotrice (f.c.e.m.)
Lorsqu'un conducteur (les bobinages du rotor) tourne dans un champ magnétique (créé par les aimants), il induit une tension. Cette tension, appelée f.c.e.m., s'oppose à la tension d'alimentation. Elle est directement proportionnelle à la vitesse de rotation \(\omega\). \[ E = K \cdot \omega \] Où \(K\) est la constante du moteur.

3. L'Équation Mécanique
Le couple moteur \(\tau_m\) généré par le moteur est directement proportionnel au courant \(I\) qui le traverse. \[ \tau_m = K \cdot I \] Notez que la même constante \(K\) relie la vitesse à la tension (f.c.e.m.) et le courant au couple. C'est la beauté de la conversion électromécanique.


Correction : Contrôle de la Tension pour un Moteur DC

Question 1 : Écrire l'équation électrique du moteur (loi des mailles)

Principe (le concept physique)

La loi des mailles de Kirchhoff stipule que la somme des tensions dans une boucle fermée est nulle. En appliquant cela au circuit du moteur, la tension fournie par l'alimentation \(U\) est "consommée" par la résistance de l'induit (chute de tension \(RI\)) et par la force contre-électromotrice \(E\) qui s'oppose au passage du courant.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Cette équation est fondamentale car elle lie le monde électrique (tension \(U\), courant \(I\)) au monde mécanique (via la f.c.e.m. \(E\) qui dépend de la vitesse). C'est le point de départ de toute analyse de moteur à courant continu.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Il est crucial de bien orienter les tensions. La tension d'alimentation \(U\) agit comme un générateur, tandis que la chute de tension \(RI\) et la f.c.e.m. \(E\) agissent comme des récepteurs. Leur somme doit donc équilibrer la tension d'alimentation.

Normes (la référence réglementaire)

La loi des mailles est l'une des lois de Kirchhoff, qui sont les fondements de l'analyse des circuits électriques. Elles sont universellement appliquées en ingénierie électrique.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Loi des mailles :

\[ U - R \cdot I - E = 0 \Rightarrow U = R \cdot I + E \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On utilise un modèle simplifié du moteur, en négligeant l'inductance de l'induit, qui ne joue un rôle que dans les régimes transitoires (démarrage, changement de charge rapide).

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Aucune donnée numérique n'est nécessaire pour cette question, il s'agit d'établir une relation littérale.

Astuces(Pour aller plus vite)

Visualisez toujours le circuit. La tension d'alimentation "pousse" le courant, tandis que la résistance et la f.c.e.m. "résistent" à cette poussée. L'équilibre entre ces actions donne l'équation.

Schéma (Avant les calculs)
Circuit Équivalent du Moteur
URE
Calcul(s) (l'application numérique)

Cette question ne demande pas de calcul numérique, mais l'établissement de la relation fondamentale.

Schéma (Après les calculs)
Équation de la Maille
U = R.I + E
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Cette équation est le pilier de l'étude. Elle montre que pour une tension U donnée, le courant I dépend de la f.c.e.m. E, et donc de la vitesse. Si la vitesse augmente, E augmente, et le courant I diminue.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus fréquente est une erreur de signe, par exemple écrire \(U = RI - E\). Il faut se rappeler que la f.c.e.m. est une tension qui s'oppose à la tension d'alimentation, donc elle se soustrait du côté de l'alimentation ou s'ajoute du côté des chutes de tension.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • L'équation électrique d'un moteur DC est \(U = R \cdot I + E\).
  • Elle traduit l'équilibre des tensions dans le circuit de l'induit.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Un moteur à courant continu est une machine réversible. Si vous le faites tourner mécaniquement (par exemple avec une manivelle), il se comporte comme un générateur et produit une tension à ses bornes. C'est le principe de la dynamo.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
L'équation électrique du moteur est \(U = R \cdot I + E\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si on isole le courant I, quelle est son expression ?

Question 2 : Calculer le courant de démarrage \(I_d\) du moteur

Principe (le concept physique)

Au moment précis du démarrage (\(t=0\)), le rotor du moteur est encore immobile. Sa vitesse de rotation \(\omega\) est donc nulle. Puisque la f.c.e.m. \(E\) est proportionnelle à la vitesse (\(E = K \cdot \omega\)), elle est également nulle au démarrage. L'équation électrique se simplifie alors drastiquement.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Le courant de démarrage est une valeur critique pour un moteur. C'est le courant le plus élevé que le moteur consommera en fonctionnement normal. Ce pic de courant doit être pris en compte pour dimensionner l'alimentation et les protections (fusibles, disjoncteurs) du circuit.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

C'est une application directe de l'équation trouvée à la question 1, avec une condition initiale simple : vitesse nulle. Pensez toujours aux conditions initiales ou aux états particuliers (à vide, en charge, bloqué) pour simplifier les problèmes.

Normes (la référence réglementaire)

Les normes de sécurité électrique (comme la norme IEC 60947 pour les appareillages basse tension) définissent des classes de disjoncteurs (Courbe C, D, etc.) qui sont capables de tolérer ces pics de courant de démarrage sans se déclencher inutilement, tout en protégeant contre les vrais courts-circuits.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Équation du courant de démarrage :

\[ U = R \cdot I_d + 0 \Rightarrow I_d = \frac{U}{R} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que la tension d'alimentation \(U\) est appliquée instantanément et reste constante. On néglige les phénomènes transitoires dus à l'inductance.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • \(U = 12 \, \text{V}\)
  • \(R = 2 \, \Omega\)
Astuces(Pour aller plus vite)

Au démarrage, un moteur DC se comporte comme une simple résistance. Le seul élément qui limite le courant est la résistance de son bobinage.

Schéma (Avant les calculs)
Circuit au Démarrage (E=0)
URE=0
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul du courant de démarrage :

\begin{aligned} I_d &= \frac{U}{R} \\ &= \frac{12 \, \text{V}}{2 \, \Omega} \\ &= 6 \, \text{A} \end{aligned}
Schéma (Après les calculs)
Courant de Démarrage
I_d = 6 A
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le courant de démarrage de 6 A est significativement plus élevé que le courant nominal que le moteur consommerait en fonctionnement normal. C'est ce courant qui produit le couple maximal pour mettre le rotor en mouvement et vaincre l'inertie.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Ne pas oublier que la condition \(\omega=0\) n'est valable qu'à l'instant initial. Dès que le moteur commence à tourner, la f.c.e.m. augmente et le courant diminue. Le courant de 6 A n'est qu'un pic très bref.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • Au démarrage, la vitesse est nulle, donc la f.c.e.m. \(E\) est nulle.
  • Le courant de démarrage est le plus élevé et n'est limité que par la résistance de l'induit : \(I_d = U/R\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Pour limiter les pics de courant de démarrage sur les gros moteurs, on utilise des "démarreurs progressifs". Ce sont des dispositifs électroniques qui augmentent graduellement la tension d'alimentation, permettant au moteur de démarrer en douceur sans appeler un courant excessif sur le réseau électrique.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le courant de démarrage du moteur est \(I_d = 6 \, \text{A}\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si la résistance d'induit était de 4 \(\Omega\), quel serait le nouveau courant de démarrage (en A) ?

Question 3 : Calculer la vitesse de rotation à vide \(\omega_0\)

Principe (le concept physique)

"À vide" signifie que le moteur ne fournit aucun effort mécanique (aucun couple de charge). Dans ce cas idéal, le moteur n'a besoin que d'un courant très faible, juste pour vaincre ses propres frottements internes. On fait donc l'approximation que le courant à vide \(I_0\) est nul.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La vitesse à vide est la vitesse maximale que le moteur peut atteindre pour une tension d'alimentation donnée. C'est un point de fonctionnement théorique important. En pratique, le courant n'est jamais tout à fait nul, donc la vitesse réelle sera toujours légèrement inférieure à la vitesse à vide théorique.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Encore une fois, on part de l'équation de base et on applique la condition particulière. Ici, la condition est \(I \approx 0\). L'équation électrique se simplifie alors différemment, permettant d'isoler la f.c.e.m. et, par conséquent, la vitesse.

Normes (la référence réglementaire)

Les fiches techniques des moteurs (datasheets) fournissent toujours la vitesse à vide ("no-load speed") pour une tension nominale donnée. C'est une caractéristique essentielle pour le choix d'un moteur.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Équation de la vitesse à vide :

\[ U \approx K \cdot \omega_0 \Rightarrow \omega_0 = \frac{U}{K} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On fait l'approximation que le courant à vide est nul (\(I_0 = 0\)), ce qui signifie qu'on néglige le couple nécessaire pour vaincre les frottements internes du moteur.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • \(U = 12 \, \text{V}\)
  • \(K = 0.05 \, \text{V} \cdot \text{s} \cdot \text{rad}^{-1}\)
Astuces(Pour aller plus vite)

La vitesse à vide est le rapport direct entre la tension d'alimentation et la constante du moteur. C'est le calcul le plus simple pour estimer la vitesse maximale d'un moteur.

Schéma (Avant les calculs)
Fonctionnement à Vide (I=0)
MVitesse = ?Pas de charge
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul de la vitesse à vide :

\begin{aligned} \omega_0 &= \frac{U}{K} \\ &= \frac{12 \, \text{V}}{0.05 \, \text{V} \cdot \text{s} \cdot \text{rad}^{-1}} \\ &= 240 \, \text{rad/s} \end{aligned}
Schéma (Après les calculs)
Vitesse à Vide
ω₀ = 240 rad/s
Réflexions (l'interprétation du résultat)

La vitesse de 240 rad/s (environ 2292 tours par minute) est la vitesse maximale que ce moteur peut atteindre avec une alimentation de 12V. Toute charge mécanique appliquée sur son axe le fera ralentir.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Attention aux unités de vitesse. Les calculs donnent une vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s). Si une vitesse en tours par minute (tr/min ou RPM) est demandée, il faut convertir en utilisant la relation : \(1 \, \text{tr/min} = 2\pi/60 \, \text{rad/s}\).

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • À vide, on approxime le courant à zéro (\(I_0 \approx 0\)).
  • La f.c.e.m. est alors quasiment égale à la tension d'alimentation (\(E \approx U\)).
  • La vitesse à vide est \(\omega_0 = U/K\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les moteurs "brushless" (sans balais) sont une évolution des moteurs DC. Ils n'ont pas de balais mécaniques pour la commutation, ce qui élimine l'usure et les étincelles. Un circuit électronique externe (le contrôleur) recrée le champ magnétique tournant, offrant un meilleur rendement et une plus grande longévité.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La vitesse de rotation à vide du moteur est \(\omega_0 = 240 \, \text{rad/s}\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si on alimentait le moteur avec une tension de 24 V, quelle serait sa nouvelle vitesse à vide (en rad/s) ?

Question 4 : Calculer le courant \(I_c\) consommé par le moteur en charge

Principe (le concept physique)

Lorsque le moteur entraîne une charge, il doit fournir un couple mécanique \(\tau_m\) pour la vaincre. En régime permanent, le couple moteur est égal au couple de charge \(\tau_c\). L'équation mécanique \(\tau_m = K \cdot I\) nous permet de relier directement ce couple au courant consommé par le moteur.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La relation \(\tau_m = K \cdot I\) est au cœur de la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique. Elle montre que le courant n'est pas une "perte", mais la source même de l'effort mécanique. Plus le moteur doit "forcer" (couple élevé), plus il doit "tirer" de courant de l'alimentation.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Cette question fait le pont entre la mécanique (le couple) et l'électricité (le courant). C'est la deuxième équation fondamentale du moteur. Assurez-vous d'utiliser la bonne constante \(K\), qui est la même pour la relation électrique (Vitesse-Tension) et la relation mécanique (Courant-Couple).

Normes (la référence réglementaire)

Les unités doivent être cohérentes. Si \(K\) est en \(\text{V} \cdot \text{s} \cdot \text{rad}^{-1}\), qui est équivalent à \(\text{N} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}\), le couple \(\tau\) doit être en Newton-mètres (Nm) pour obtenir un courant en Ampères (A).

Formule(s) (l'outil mathématique)

Équation du courant en charge :

\[ \tau_c = K \cdot I_c \Rightarrow I_c = \frac{\tau_c}{K} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que le moteur tourne à une vitesse stable (régime permanent), de sorte que le couple moteur compense exactement le couple de charge. On néglige le couple de frottement interne du moteur.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • \(\tau_c = 0.1 \, \text{N} \cdot \text{m}\)
  • \(K = 0.05 \, \text{N} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}\)
Astuces(Pour aller plus vite)

Le calcul est une simple division. L'important est de bien identifier que la question porte sur la relation mécanique du moteur et non sur son équation électrique à ce stade.

Schéma (Avant les calculs)
Relation Couple-Courant
I = ?Mτc
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul du courant en charge :

\begin{aligned} I_c &= \frac{\tau_c}{K} \\ &= \frac{0.1 \, \text{N} \cdot \text{m}}{0.05 \, \text{N} \cdot \text{m} \cdot \text{A}^{-1}} \\ &= 2 \, \text{A} \end{aligned}
Schéma (Après les calculs)
Courant en Charge
Ic = 2 A
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Pour fournir un couple de 0.1 Nm, le moteur doit consommer un courant de 2 A. Ce courant est bien inférieur au courant de démarrage (6 A) mais supérieur au courant à vide (qu'on a supposé nul).

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Ne pas confondre les deux équations fondamentales. La vitesse est liée à la tension via la f.c.e.m. (\(E=K\omega\)), tandis que le courant est lié au couple (\(\tau=KI\)). Utiliser la mauvaise équation est une erreur courante.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • Le couple moteur est proportionnel au courant : \(\tau_m = K \cdot I\).
  • En régime permanent, le couple moteur égale le couple de charge : \(\tau_m = \tau_c\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

La puissance mécanique développée par le moteur est \(P_m = \tau_m \cdot \omega\). La puissance électrique consommée par la f.c.e.m. est \(P_e = E \cdot I\). En remplaçant \(\tau_m\) et \(E\) par leurs expressions, on trouve que \(P_m = (KI)\omega\) et \(P_e = (K\omega)I\), donc \(P_m=P_e\). La f.c.e.m. est le mécanisme par lequel la puissance électrique est convertie en puissance mécanique.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le courant consommé en charge est \(I_c = 2 \, \text{A}\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si le couple de charge était de 0.15 Nm, quel serait le courant consommé (en A) ?

Question 5 : En déduire la vitesse de rotation en charge \(\omega_c\) du moteur

Principe (le concept physique)

Maintenant que nous connaissons le courant consommé en charge (\(I_c\)), nous pouvons revenir à l'équation électrique. En utilisant \(U = R \cdot I_c + E_c\), nous pouvons calculer la nouvelle valeur de la f.c.e.m. en charge, \(E_c\). Comme la f.c.e.m. est toujours liée à la vitesse par \(E_c = K \cdot \omega_c\), nous pouvons en déduire la vitesse en charge.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Ce calcul illustre l'autorégulation d'un moteur DC. Quand on applique une charge, le moteur ralentit. En ralentissant, sa f.c.e.m. \(E\) diminue. D'après \(I = (U-E)/R\), la diminution de \(E\) provoque une augmentation du courant \(I\). Cette augmentation de \(I\) entraîne une augmentation du couple moteur \(\tau_m = KI\), qui vient s'opposer à la charge. Le moteur trouve un nouveau point d'équilibre à une vitesse plus faible mais avec un couple plus élevé.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

C'est la synthèse de tout l'exercice. On utilise le courant trouvé avec l'équation mécanique pour le réinjecter dans l'équation électrique afin de trouver la vitesse. C'est le couplage électromécanique en action.

Normes (la référence réglementaire)

La courbe "Vitesse-Couple" d'un moteur DC, qui est une droite décroissante, est une caractéristique fondamentale fournie par les constructeurs. Le calcul que nous faisons ici revient à trouver un point sur cette droite.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Équations de la vitesse en charge :

\[ \omega_c = \frac{E_c}{K} \quad \text{avec} \quad E_c = U - R \cdot I_c \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que les paramètres du moteur (R, K) ne varient pas avec la température ou la charge, ce qui est une approximation valable pour un fonctionnement stable.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • \(U = 12 \, \text{V}\)
  • \(R = 2 \, \Omega\)
  • \(K = 0.05 \, \text{V} \cdot \text{s} \cdot \text{rad}^{-1}\)
  • \(I_c = 2 \, \text{A}\) (résultat de la Q4)
Astuces(Pour aller plus vite)

Vous pouvez combiner toutes les équations pour obtenir une formule directe de la vitesse en fonction du couple : \(\omega_c = \frac{U}{K} - \frac{R}{K^2}\tau_c\). On reconnaît l'équation d'une droite de la forme \(y = b + ax\).

Schéma (Avant les calculs)
Point de Fonctionnement en Charge
τωVitesse à vide (ω₀)τcωc=?
Calcul(s) (l'application numérique)

1. Calcul de la f.c.e.m. en charge \(E_c\) :

\begin{aligned} E_c &= U - R \cdot I_c \\ &= 12 \, \text{V} - (2 \, \Omega \times 2 \, \text{A}) \\ &= 12 \, \text{V} - 4 \, \text{V} \\ &= 8 \, \text{V} \end{aligned}

2. Calcul de la vitesse en charge \(\omega_c\) :

\begin{aligned} \omega_c &= \frac{E_c}{K} \\ &= \frac{8 \, \text{V}}{0.05 \, \text{V} \cdot \text{s} \cdot \text{rad}^{-1}} \\ &= 160 \, \text{rad/s} \end{aligned}
Schéma (Après les calculs)
Point de Fonctionnement en Charge
τ (Nm)ω (rad/s)240(ω₀)160(ωc)0.1(τc)
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Comme prévu, la vitesse en charge (160 rad/s) est inférieure à la vitesse à vide (240 rad/s). L'application d'un couple de charge a fait chuter la vitesse du moteur de 80 rad/s. La différence de tension (4 V) est "perdue" dans la résistance de l'induit sous forme de chaleur (effet Joule).

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Assurez-vous d'utiliser le courant en charge \(I_c\) et non le courant de démarrage \(I_d\) dans ce calcul. Le courant de démarrage n'est pertinent qu'à l'instant \(t=0\), alors que nous calculons ici un point de fonctionnement en régime permanent.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La vitesse en charge est toujours inférieure à la vitesse à vide.
  • Le calcul de la vitesse en charge nécessite de connaître le courant consommé, qui dépend lui-même du couple.
  • La séquence de calcul est : \(\tau_c \rightarrow I_c \rightarrow E_c \rightarrow \omega_c\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

La modulation de largeur d'impulsion (PWM - Pulse Width Modulation) est la technique la plus courante pour contrôler la vitesse d'un moteur DC. Au lieu de faire varier la tension continue, on envoie une tension fixe (ex: 12V) par impulsions très rapides. En faisant varier la largeur des impulsions (le "rapport cyclique"), on fait varier la tension moyenne vue par le moteur, ce qui permet de contrôler sa vitesse de manière très efficace et avec peu de pertes d'énergie.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La vitesse de rotation en charge du moteur est \(\omega_c = 160 \, \text{rad/s}\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si le couple de charge était de 0.15 Nm, quelle serait la vitesse en charge (en rad/s) ?


Outil Interactif : Simulateur de Moteur DC

Modifiez la tension d'alimentation et le couple de charge pour observer l'impact sur le point de fonctionnement du moteur.

Paramètres d'Entrée
12.0 V
0.10 Nm
Point de Fonctionnement
Courant Consommé (A) -
Vitesse (rad/s) -
Vitesse (tr/min) -

Le Saviez-Vous ?

Le premier moteur électrique fonctionnel a été inventé par Michael Faraday en 1821. Il s'agissait d'une simple démonstration du principe de rotation homopolaire : un fil suspendu plongeant dans un bain de mercure entourant un aimant se mettait à tourner en continu lorsqu'un courant le parcourait, démontrant pour la première fois la conversion d'énergie électrique en mouvement circulaire.


Foire Aux Questions (FAQ)

Comment peut-on inverser le sens de rotation d'un moteur DC ?

Pour un moteur à aimants permanents, il suffit d'inverser la polarité de la tension d'alimentation \(U\). En inversant le sens du courant, on inverse le sens de la force de Laplace sur les conducteurs du rotor, et donc le sens du couple moteur.

Qu'est-ce que le "rendement" d'un moteur ?

Le rendement (\(\eta\)) est le rapport entre la puissance mécanique utile fournie par le moteur (\(P_m = \tau_c \cdot \omega_c\)) et la puissance électrique totale qu'il consomme (\(P_{\text{elec}} = U \cdot I_c\)). La différence entre les deux est la puissance perdue, principalement sous forme de chaleur dans la résistance de l'induit (pertes Joule) et par les frottements mécaniques.


Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Le courant de démarrage d'un moteur DC ne dépend...

2. Si on augmente le couple de charge appliqué au moteur, sa vitesse de rotation...


Force Contre-Électromotrice (f.c.e.m.)
Tension générée par la rotation du moteur, qui s'oppose à la tension d'alimentation. Elle est proportionnelle à la vitesse de rotation.
Induit
Partie tournante du moteur (le rotor) qui contient les bobinages de fil de cuivre où le courant circule.
Couple Moteur
L'effort de rotation généré par le moteur. Il est proportionnel au courant consommé et est mesuré en Newton-mètres (Nm).
Contrôle de la Tension pour un Moteur DC

D’autres exercices d’electromagnétisme:

Capacité d’un Condensateur Sphérique
Capacité d’un Condensateur Sphérique

Exercice : Capacité d’un Condensateur Sphérique Capacité d’un Condensateur Sphérique Contexte : L'Électrostatique et le stockage d'énergie. Cet exercice porte sur le calcul de la capacité d'un condensateur sphériqueUn condensateur formé de deux coquilles sphériques...

Champ Magnétique d’une Boucle Polygonale
Champ Magnétique d’une Boucle Polygonale

Exercice : Champ Magnétique au Centre d'une Boucle Polygonale Champ Magnétique au Centre d'une Boucle Polygonale Contexte : Calcul de champs magnétiques par la loi de Biot-SavartLoi fondamentale de la magnétostatique qui relie le champ magnétique créé à la...

Transmission d’une Onde Électromagnétique
Transmission d’une Onde Électromagnétique

Exercice : Transmission d'une Onde Électromagnétique Transmission d’une Onde Électromagnétique Contexte : Propagation d'une onde électromagnétiqueUne onde composée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propage dans l'espace et transporte de l'énergie....

Calcul des Courants de Foucault
Calcul des Courants de Foucault

Exercice : Calcul des Courants de Foucault Calcul des Courants de Foucault dans une Plaque Conductrice Contexte : La Loi de FaradayLoi fondamentale de l'électromagnétisme qui stipule qu'une variation du flux magnétique à travers un circuit induit une force...

Application du Théorème de Gauss
Application du Théorème de Gauss

Exercice : Théorème de Gauss pour un Cylindre Infini Application du Théorème de Gauss pour un Cylindre Infini Chargé Contexte : Le Théorème de GaussUn des piliers de l'électromagnétisme, reliant le flux du champ électrique à travers une surface fermée à la charge...

Champ Magnétique d’un Câble Coaxial
Champ Magnétique d’un Câble Coaxial

Exercice : Champ Magnétique d’un Câble Coaxial Champ Magnétique d’un Câble Coaxial Contexte : L'étude du champ magnétiqueChamp de force créé par des charges électriques en mouvement (courants électriques). Il est décrit par un vecteur B en chaque point de l'espace....

Ondes Guidées dans un Câble Coaxial
Ondes Guidées dans un Câble Coaxial

Ondes Électromagnétiques Guidées dans un Câble Coaxial Ondes Électromagnétiques Guidées dans un Câble Coaxial Contexte : Le Câble CoaxialUne ligne de transmission composée d'un conducteur central (âme) et d'un conducteur extérieur (tresse), séparés par un isolant...

Circuit RLC Série : Impédance et Résonance
Circuit RLC Série : Impédance et Résonance

Circuit RLC Série : Impédance et Résonance Circuit RLC Série : Impédance et Résonance Contexte : Le Circuit RLC SérieUn circuit électrique composé d'une résistance (R), d'une bobine (L) et d'un condensateur (C) connectés en série.. Les circuits RLC sont fondamentaux...

Énergie Électrostatique d’une Sphère
Énergie Électrostatique d’une Sphère

Exercice : Énergie Électrostatique d’une Sphère Énergie Électrostatique d’une Sphère Contexte : L'Énergie ÉlectrostatiqueL'énergie potentielle stockée dans une configuration de charges électriques. C'est le travail nécessaire pour assembler ces charges depuis...

Loi de Faraday dans un Rail de Laplace
Loi de Faraday dans un Rail de Laplace

Exercice : Loi de Faraday dans un Rail de Laplace Loi de Faraday dans un Rail de Laplace Contexte : L'Induction ÉlectromagnétiquePhénomène physique qui se manifeste par la production d'une force électromotrice (une tension) dans un conducteur électrique soumis à un...

Propagation d’une Onde Électromagnétique Plane
Propagation d’une Onde Électromagnétique Plane

Exercice : Propagation d’une Onde Électromagnétique Plane Propagation d’une Onde Électromagnétique Plane Contexte : L'étude des Ondes ÉlectromagnétiquesUne onde électromagnétique est une perturbation des champs électrique et magnétique qui se propage dans l'espace en...

Champ Magnétique Créé par un Tore
Champ Magnétique Créé par un Tore

Exercice : Champ Magnétique d'un Tore Champ Magnétique Créé par un Tore Contexte : L'étude du ToreUn tore est un enroulement solénoïdal refermé sur lui-même, formant un anneau. Cette géométrie permet de confiner presque entièrement le champ magnétique à l'intérieur de...

Potentiel Électrique d’un Quadripôle
Potentiel Électrique d’un Quadripôle

Exercice : Potentiel Électrique d’un Quadripôle Potentiel Électrique d’un Quadripôle Linéaire Contexte : Le Potentiel Électrique d’un QuadripôleLe potentiel créé par une distribution de quatre charges électriques dont les moments monopolaire et dipolaire sont nuls.....

Champ Électrique d’une Distribution Linéique
Champ Électrique d’une Distribution Linéique

Exercice : Champ Électrique d'une Distribution Linéique Champ Électrique d’une Distribution Linéique Contexte : L'Électromagnétisme et les Distributions de Charges. En électromagnétisme, le calcul du champ électrique est fondamental. Alors que le champ créé par une...

Force de Laplace sur une Spire Rectangulaire
Force de Laplace sur une Spire Rectangulaire

Exercice : Force de Laplace sur une Spire Rectangulaire Calcul de la Force de Laplace sur une Spire Rectangulaire Contexte : La Force de LaplaceLa force exercée par un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant.. Cet exercice explore l'un des principes...

Calcul du Courant pour chaque Tension
Calcul du Courant pour chaque Tension

Calcul du Courant pour chaque Tension Calcul du Courant pour chaque Tension Contexte : La Loi d'OhmPrincipe fondamental en électricité qui décrit la relation entre la tension, le courant et la résistance dans un circuit électrique.. Cet exercice a pour but de vous...

Calcul des Lignes de Champ Électrique
Calcul des Lignes de Champ Électrique

Calcul des Lignes de Champ Électrique Calcul des Lignes de Champ Électrique Contexte : Le champ électrique d'un dipôle. Le champ électriqueRégion de l'espace où une charge électrique est soumise à une force électrostatique. Il est créé par d'autres charges...

Application de la Loi de Coulomb
Application de la Loi de Coulomb

Application de la Loi de Coulomb Application de la Loi de Coulomb Contexte : Interaction entre charges électriques. La loi de Coulomb est une pierre angulaire de l'électromagnétisme. Elle permet de quantifier la force qui s'exerce entre des particules chargées. Cette...

Optimisation d’un Circuit Électrique
Optimisation d’un Circuit Électrique

Optimisation d’un Circuit Électrique Optimisation d’un Circuit Électrique Contexte : Conception d'un filtre passe-bande. Les circuits RLC (Résistance, Inductance, Condensateur) sont fondamentaux en électronique, servant de base à de nombreuses applications comme les...

Calcul d’Énergie Stockée dans un Condensateur
Calcul d’Énergie Stockée dans un Condensateur

Calcul de l’Énergie Stockée dans un Condensateur Calcul de l’Énergie Stockée dans un Condensateur Contexte : Le stockage d'énergie en électronique. Le condensateur est un composant électronique fondamental, présent dans presque tous les circuits, des alimentations...

Calcul de la Puissance d’une Ampoule LED
Calcul de la Puissance d’une Ampoule LED

Calcul de la Puissance d’une Ampoule LED en Électromagnétisme Calcul de la Puissance d’une Ampoule LED Contexte : L'efficacité énergétique au cœur de l'éclairage moderne. Les diodes électroluminescentes (LED)Composant semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'un...

Analyse des Configurations de Condensateurs
Analyse des Configurations de Condensateurs

Analyse des Configurations de Condensateurs en Électromagnétisme Analyse des Configurations de Condensateurs Contexte : Les condensateurs, piliers de l'électronique moderne. En électromagnétismeBranche de la physique qui étudie les interactions entre les particules...

Rayonnement d’un Dipôle Oscillant
Rayonnement d’un Dipôle Oscillant

Électromagnétisme : Rayonnement d'un Dipôle Oscillant Rayonnement d'un Dipôle Oscillant : Puissance Rayonnée Contexte : Comment une Antenne Crée-t-elle une Onde ? Une charge accélérée rayonne de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques. Le cas le plus simple et...

Propagation et Profondeur de Peau
Propagation et Profondeur de Peau

Électromagnétisme : Propagation d'une Onde dans un Conducteur Propagation d'une Onde EM dans un Conducteur : Profondeur de Peau Contexte : Pourquoi les Métaux sont-ils Opaques ? Contrairement aux matériaux diélectriques (comme le verre ou l'air) qui sont transparents,...

Force entre Deux Fils Parallèles Infinis
Force entre Deux Fils Parallèles Infinis

Électromagnétisme : Force entre Deux Fils Parallèles Infinis Force entre Deux Fils Parallèles Infinis Contexte : L'Interaction Fondamentale entre Courants L'une des découvertes les plus importantes du 19ème siècle fut que les courants électriques interagissent entre...

Potentiel Vecteur d’un Dipôle Magnétique
Potentiel Vecteur d’un Dipôle Magnétique

Électromagnétisme : Potentiel Vecteur d'un Dipôle Magnétique Potentiel Vecteur d'un Dipôle Magnétique Contexte : Un Outil Mathématique pour le Champ Magnétique En électrostatique, le champ électrique \(\vec{E}\) peut être dérivé d'un potentiel scalaire \(V\)...

Capacité d’un Condensateur Sphérique
Capacité d’un Condensateur Sphérique

Exercice : Capacité d’un Condensateur Sphérique Capacité d’un Condensateur Sphérique Contexte : L'Électrostatique et le stockage d'énergie. Cet exercice porte sur le calcul de la capacité d'un condensateur sphériqueUn condensateur formé de deux coquilles sphériques...

Champ Magnétique d’une Boucle Polygonale
Champ Magnétique d’une Boucle Polygonale

Exercice : Champ Magnétique au Centre d'une Boucle Polygonale Champ Magnétique au Centre d'une Boucle Polygonale Contexte : Calcul de champs magnétiques par la loi de Biot-SavartLoi fondamentale de la magnétostatique qui relie le champ magnétique créé à la...

Transmission d’une Onde Électromagnétique
Transmission d’une Onde Électromagnétique

Exercice : Transmission d'une Onde Électromagnétique Transmission d’une Onde Électromagnétique Contexte : Propagation d'une onde électromagnétiqueUne onde composée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propage dans l'espace et transporte de l'énergie....

Calcul des Courants de Foucault
Calcul des Courants de Foucault

Exercice : Calcul des Courants de Foucault Calcul des Courants de Foucault dans une Plaque Conductrice Contexte : La Loi de FaradayLoi fondamentale de l'électromagnétisme qui stipule qu'une variation du flux magnétique à travers un circuit induit une force...

Application du Théorème de Gauss
Application du Théorème de Gauss

Exercice : Théorème de Gauss pour un Cylindre Infini Application du Théorème de Gauss pour un Cylindre Infini Chargé Contexte : Le Théorème de GaussUn des piliers de l'électromagnétisme, reliant le flux du champ électrique à travers une surface fermée à la charge...

Champ Magnétique d’un Câble Coaxial
Champ Magnétique d’un Câble Coaxial

Exercice : Champ Magnétique d’un Câble Coaxial Champ Magnétique d’un Câble Coaxial Contexte : L'étude du champ magnétiqueChamp de force créé par des charges électriques en mouvement (courants électriques). Il est décrit par un vecteur B en chaque point de l'espace....

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *