Alimentation des enroulements en courant

On a l'habitude d'alimenter les charges en tension. A la maison tous les appareils sont alimentés en tension (230V), et les "prises de courant" sont en fait des "prises de tension". Il est donc naturel d'alimenter les moteurs en tension.

Pour que l'établissement (ou la coupure) du courant se fasse plus rapidement, on peut aussi alimenter les enroulements en courant. Comme on n'a pas de générateurs de tension parfait (courant illimité), on n'a pas non plus de générateur de courant idéal (tension illimitée), mais on fera avec l'alimentation que l'on a (12V, 24V, 48V et même 80V). Si ce courant n'est pas atteint, on mettra toute la tension possible. C'est le dual d'une alimentation en tension qui va délivrer une tension de consigne et si cette tension n'est pas atteinte, délivrera tout le courant possible.

Un autre approche possible du même fonctionnement, est de dire que pour alimenter une bobine, on va mettre la tension maximale et on baissera la tension quand le courant nominal sera atteint.

Si on alimente un enroulement sous une tension double au début de sa conduction, la pente au départ va se trouver doublée, et on atteindra le courant souhaité un peu plus de deux fois plus vite. Si on veut aller 10 fois plus vite, il suffit de prendre une tension d'alimentation en gros 10 fois plus élevée que sa tension nominale. Avec le moteur 12V de tout à l'heure, si on voulait aller 10 fois plus vite, il faudrait une alimentation de 120V. C'est beaucoup, pour la sécurité, pour les transistors de puissance... On a donc tout intérêt à utiliser des moteurs avec des tension nominales assez basses, souvent de l'ordre de 2,5V. Ainsi pour multiplier les pentes par 10, on prend une alimentation de 24V, ce qui est acceptable. On peut aussi utiliser le 48V, voir du 72V. En multipliant la pente par 10 ou plus, on verra les effets équivalents de l'inductance pour des fréquences de rotation 10 fois plus élevées.

Dans le cas des moteurs, on n'a pas besoin d'un courant parfaitement constant. On peut se contenter d'ailleurs d'une alimentation non régulée. Pour fixer le courant, on utilisera plutôt un découpage PWM qui a un meilleur rendement. On va ainsi mettre toute la tension disponible, et quand on atteint le courant de consigne, on remet la tension à 0. Le courant va donc baisser, et on remettra le couvert. On aura donc des ondulations sur le courant. En dessous, une idée de l'établissement du courant.

Dans la pratique, ce peut être un peu plus compliqué pour la décroissance car on peut alimenter l'enroulement en mettant la tension en inverse (décroissance rapide ou "fast decay"), mettre du 0V aux bornes de l'enroulement (décroissance lente ou "slow decay") ou encore une décroissance mixte ("mixed decay") composée d'un temps en décroissance rapide et un temps en décroissance lente.

On a vu qu'augmenter la tension d'alimentation permet d'accélérer la montée du courant (ou la descente). Cela va compenser en partie l'effet de l'inductance. Mais cela permet aussi de diminuer l'effet de la force contre électromotrice (si la fcem est de 4V, pour un moteur alimenté en 4V, c'est important, si le moteur est alimenté en 48V, c'est négligeable). Cela va permettre de conserver du couple quand on fait tourner le moteur.

Quand le moteur est arrêté mais que les enroulements sont alimentés, on va hacher le courant. Si le rendement du hacheur était de 100%, toute la puissance de l'alimentation serait dissipée dans le moteur. Ce dernier voit son courant nominal, donc sa tension nominale. Si j'alimente un 17HS13-1334S (1,33A - 3,7V) il y aura dans un seul enroulement, en mode une phase à la fois, 1,88A (On a vu que pour une phase à la fois, il faut multiplier le courant par √2), et le moteur dissipera 1,88A . 3,7V = 10W. Et ceci quelle que soit la tension d'alimentation du driver. En supposant le driver parfait, si la tension d'alimentation est de 3,7V le courant va passer tout le temps. Si la tension d'alimentation est de 37V (10 fois plus), le moteur recevra 37V pendant un dixième du temps et dissipera toujours 10W. L'alimentation fournira du 37V, et fournira 1,88A pendant un dixième du temps seulement. Cela fait toujours 10W. Il n'y a pas de mystère, la puissance moyenne fournie par l'alimentation sera toujours de 10W quelle que soit la tension. Faut-il pour autant avoir une alimentation de 1,88A? Et bien non car en sortie de l'alimentation et normalement en entrée du driver, se trouve des condensateurs et c'est eux qui vont recevoir un courant quasi constant de la part de l'alimentation (0,188A) et fournir 1,88A pendant 1/10ème du temps. Ainsi on pourrait prendre une alimentation 12V, 24V, 48V... pourvu qu'elle délivre les 10W, et que l'on ne dépasse pas la tension maxi du moteur ou du driver.

Si on passe en mode deux phase à la fois (ou en micro-pas), Le courant dans le moteur sera en tout de 1,88A (réparti entre les deux phases), et le résultat est le même.

La présence d'un condensateur en parallèle sur l'alimentation permet de stocker l'énergie et de la fournir en un court instant si l'alimentation n'a pas ce pouvoir. Ce condensateur est conseillé.

Quand le moteur est arrêté, l'inductance ne joue aucun rôle, et l'énergie est perdue dans la résistance. Quand le moteur tourne, on va emmagasiner en plus de l'énergie dans l'inductance, puis annuler cette énergie. On peut éventuellement récupérer une partie de cette énergie si on inverse la tension aux bornes de l'enroulement. Mais on ne peut pas tout récupérer (et ce n'est pas toujours souhaitable que la décroissance soit importante. Le moteur va donc dissiper plus d'énergie si il commence à tourner. Quand la vitesse devient suffisamment importante, le courant n'arrive plus assez vite à sa valeur nominale, le courant moyen dans le moteur va diminuer, ainsi que la puissance fournie par l'alimentation.

Les essais que j'ai fait montre que la puissance de l'alimentation nécessaire en rotation doit valoir environ 3 fois la puissance dissipée par le moteur à l'arrêt. Pour mon moteur 17HS13-1334S, il faudrait donc prendre une alimentation de 30W.