le moteur electrique – notions fondamentales table …€¦ · notions fondamentales 1/25 le...

Paul Landercy © Table des matières Le moteur électrique

Notions fondamentales

1/25

LE MOTEUR ELECTRIQUE – NOTIONS FONDAMENTALES

TABLE DES MATIERES

1. Rappel d’électromagnétisme 2 2. Les moteurs triphasés 9 3. Les moteurs monophasés 16 4. Moteurs à courant continu 21 5. Moteurs pas à pas 25

V 1.0 - 2013 Rappel d’électromagnétisme

2

La force électromagnétique (force de Laplace) L’expérience d’Oersted nous indique qu’un courant électrique exerce une force sur un aimant (aiguille d’une boussole). En vertu du principe action = réaction (3ème loi de Newton) on peut s’attendre qu’un aimant exerce en retour une force sur un conducteur parcouru par un courant. L’existence de cette force se vérifie par l’expérience suivante :

Un conducteur de longueur « l » et placé dans un champ magnétique d’induction « B » et parcouru par un courant I, subit une force appelée force de Laplace.

L’orientation de la force peut être déduite par la règle de la main droite

- Les doigts s’alignent et pointent dans la direction du courant

- Les doigts se plient ensuite à 90°

afin de s’aligner dans le sens NS de l’induction magnétique. Ce mouvement peut amener à orienter différemment la paume de la main

- Le pouce levé indique le sens de la

force.


3

Pour un conducteur perpendiculaire aux lignes du champ magnétique, on a :

F = B.I.L Avec pour unités : [ L ] = m (longueur du conducteur en mètres) [ I ] = A [ B ] = T [ F ] = N

Discussion et exercices

o Force de Laplace

En se basant sur la figure de gauche quel est le sens et la direction de la force ?

Si on inverse le courant ou le champ ?

Si on inverse le courant et le champ ?


4

Forces agissant sur une boucle de courant Considérons une boucle rectangulaire de côté « a » et « b », parcourue par un courant I et pivotant sur un axe sur un axe vertical passant par son centre.

Déterminer le sens, la direction et le point d’application des forces qui s’exercent sur le chacun des côtés de la boucle. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Que se passe t’il lorsque le courant est appliqué sur la boucle représentée dans la position de la figure précédente ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Lorsqu’on positionne la boucle perpendiculairement au champ magnétique que constate-t-on ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Lorsque la boucle dépasse la position et est inclinée de l’autre côté, que constate-t-on ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………


5

Le moteur électrique Schéma de principe du moteur électrique :

Vérifiez le sens des forces en présence en utilisant la règle de la main droite.

Détail collecteur

Pour quelle raison utilise-t-on une commutation faite de bagues et de balais ?


6

Dans ce montage, il n’y a pas qu’une seule boucle mais un grand nombre de boucles, formant bobinage. Expliquer l’avantage de cette solution ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

L’induction électromagnétique (loi de Faraday) Nous avons montré qu’un courant électrique produit un champ magnétique et que ce dernier exerce une force sur une charge électrique en mouvement, donc sur un courant. Il est donc normal de se demander si, à l’inverse, un champ magnétique pouvait faire apparaître un courant électrique. Michael FARADAY, physicien anglais, confirma cette intuition en 1831. Expérience de Faraday


7

Faraday montra que l’apparition d’une f.é.m. induite dépend d’un mouvement d’un aimant ou bien de la bobine. Il constata que la f.é.m. produite est proportionnelle à la vitesse de variation du champ et à la surface de la spire que celui-ci embrasse, ce qui s’écrit :

Avec pour unités : [ Φ ] = Wb (Weber) [ t ] = s [ e ] = V Le signe négatif indique que la f.é.m. est de signe contraire à la variation du flux ∆Φ Si le flux augmente, alors ∆Φ > 0 et e < 0 Si le flux diminue, alors ∆Φ < 0 et e > 0

Le courant de la f.é.m. induite (loi de Lenz) Le physicien russe Lenz démontra que : « La f.é.m. induite fait toujours apparaître un courant dont le champ magnétique s’oppose à la variation initiale du flux magnétique »

Auto-induction (Self induction) On peut ainsi définir « L », le coefficient d’auto-induction, appelé aussi inductance propre de la bobine

Avec pour unités :


8

[ Φ ] = Wb (Weber) [ I ] = A [ L ] = H (Henry) L’inductance propre est fonction :

o De la géométrie de la bobine o Du nombre de spires o Du milieu magnétique o De la forme du noyau (barreau, tore, C-Core)

En remplaçant la valeur de ∆Φ, de l’équation de « L » dans celle de la loi de Faraday, on obtient la formule pratique de la Self induction :

Avec pour unités : [ t ] = s [ I ] = A [ L ] = H (Henry) [ e ] = V

Synthèse Lois de Faraday et Lenz

V 1.1 - 2017 Les moteurs triphasés

9

Généralités sur le moteur triphasé Un moteur triphasé se compose :

- D’un stator, partie fixe, constituée d’un circuit magnétique feuilleté (pour éviter les courants de Foucault) et dans lequel sont disposés des bobinages, un par phase. Ces bobinages sont alimentés par une tension triphasée.

- D’un rotor, partie tournante :

o Dans le moteur asynchrone, le rotor est constitué d’un circuit magnétique comportant un ensemble de barres conductrices en court-circuit, appelé « rotor à cage d’écureuil ». Le rotor n’est relié à aucune alimentation.

Sa simplicité de construction en fait un moteur robuste, fiable et demandant peu d’entretien. Il est largement utilisé dans l’industrie.

o Dans le moteur synchrone, le rotor est constitué d’aimants

permanents ou de bobines alimentées en courant continu. Exemple : moteur brushless, utilisé en robotique et machines outils Pour des puissances plus importantes, le rotor est bobiné et alimenté en courant continu par un collecteur à deux bagues.


10

Principe de fonctionnement Le principe des moteurs à courant alternatif réside dans l’utilisation d’un champ magnétique tournant produit par les tensions alternatives. La circulation d’un courant dans une bobine produit une induction magnétique B. Ce champ est dans l’axe de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I. C’est une grandeur vectorielle.

Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même fréquence que le courant.

Si deux bobines sont placées à proximité l’une de l’autre, le champ magnétique résultant est la somme vectorielle des deux autres.

Dans le cas du moteur triphasé, les 3 bobines sont disposées dans le stator à 120° les unes des autres, trois champs magnétiques sont ainsi crées, en phase avec le courant triphasé. De par la nature du système triphasé les 3 champs magnétiques évoluent sinusoïdalement et sont décalés de 120° l’un de l’autre. Le champ créé par l’addition vectorielle des 3 champs individuels est un champ tournant à la fréquence du réseau triphasé alimentant le moteur, comme en témoigne la figure suivante :


11

Convention de signe : un courant positif crée un champ dont le vecteur est dirigé vers le centre de la figure. Pour un courant négatif, le vecteur est dirigé en sens inverse. Constatations :

Le vecteur champ résultant a une valeur constante (égale à 3.B2

) et a effectué

pendant une période, un tour complet dans le sens anti-horaire (correspondant à l’ordre des phases de la figure précédente). On appelle fréquence de synchronisme, la fréquence de rotation du champ tournant. Le sens de rotation du vecteur champ change si l’on inverse deux phases du réseau triphasé d’alimentation du stator, c’est un moyen simple d’inverser le sens de rotation du moteur.

Fréquence et vitesse de synchronisme Dans notre exemple, le vecteur champ effectue une rotation complète pour une période secteur, ceci n’est valable que pour un stator bipolaire, c’est à dire possédant une paire de pôle (Nord et Sud) par phase. La fréquence du réseau d’alimentation étant de 50 Hz, le champ tourne à une vitesse de 50 t/s soit 3000 t/min.

Pour le stator à une paire de pôles, une demi-période est nécessaire pour parcourir la distance séparant le pôle nord du pôle sud, le tour entier étant parcouru en une période complète, comme on l’a vu précédemment.


12

Pour un moteur à deux paires de pôles par phase (figure de droite), la distance entre un Nord et un Sud est parcourue en une demi-période, ce qui représente un quart de tour. Il faut donc 4 fois plus de temps, c’est-à-dire 2 périodes pour effectuer un tour complet. Dans ce cas, le champ tournera deux fois moins vite que dans l’exemple précédent pour une paire de pôles. La vitesse synchrone Ns du champ tournant est donc proportionnelle à la fréquence f de l’alimentation et inversement proportionnelle au nombre de paires de pôles p, ce se traduit par la formule suivante :

s

f.60N

p=

Avec Ns en T/min et f en Hz Si on place un aimant droit (rotor bipolaire) au centre du stator comportant le même nombre de pôles, l’aimant tournera à la fréquence de synchronisme, ce fonctionnement est celui du moteur synchrone. On a donc : sN N= Si on remplace l’aimant par un disque non ferromagnétique ou une cage conductrice en aluminium (équivalente à un bobinage de grosse section) celle-ci est le siège de courants de Foucault induits. Les courants circulent dans les anneaux formés par la cage, les forces de Laplace qui en résultent exercent un couple sur rotor. Selon la loi de Lenz, les courants induits créent un champ qui s’oppose au champ statorique qui lui a donné naissance. Le rotor tourne dans le même sens que le champ statorique mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme de ce dernier. Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que celle du champ statorique, sinon la cage ne serait plus balayée par le champ tournant, il y aurait disparition des courants induits, donc des forces de Laplace et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent être synchrones, d’où le nom de moteur asynchrone. On a donc : sN N<

Glissement du moteur asynchrone On dit que le rotor « glisse » par rapport au champ tournant. Ce glissement g, va dépendre de la charge appliquée sur l’arbre moteur.


13

La vitesse réelle N du moteur asynchrone diffère de la vitesse de synchronisme Ns par le glissement g exprimé en %.

s

s

N Ng .100

N

−=

Au démarrage, la vitesse réelle N est nulle, le glissement est maximum et égal à 100%, par contre le glissement est nul à la vitesse de synchronisme Ns.

Le couple moteur Un moteur transforme une puissance électrique fournie par un réseau électrique en une puissance mécanique disponible à l’arbre du moteur sous forme d’un couple délivré à une vitesse déterminée. Si on équipe l’arbre du moteur d’une poulie de rayon R entraînant une courroie, la force de tension disponible dans la courroie dépendra du couple nominal du moteur, suivant la formule :

mC F.R=

Avec [Cm ] = Nm – [F] = N – [R] = m La puissance utile délivrée par le moteur s’exprime par la relation suivante :

u mP C .= ω

Avec [Cm] = Nm – [ω] = rad/sec – [Pu] = W Le choix d’un moteur se fait en fonction de la charge à entraîner. Cette charge oppose au moteur un couple résistant Cr. L’allure du couple résistant en fonction de la vitesse dépendra du type de charge. Cette allure Cr.=f(N) ne sera pas la même pour un ventilateur ou un système de levage par exemple. A partir du démarrage jusqu’au fonctionnement nominal, le couple moteur doit à tout moment rester supérieur au couple résistant imposé par la charge. Dès lors il est important de connaître à la fois l’allure du couple résistant et du couple moteur en fonction de la vitesse.


14

Caractéristique Couple/Vitesse du moteur asynchrone

Si le moteur est chargé par une machine à couple proportionnel à la vitesse (pompe volumétrique par ex.), Cr. sera inférieur au couple Cd. disponible au démarrage du moteur. Ensuite, en régime établi, le fonctionnement du moteur s’établira au point P. Ce point de fonctionnement P est stable parce que si le couple augmente la vitesse diminue, le glissement augmente, mais le couple délivré également, stabilisant le fonctionnement sur un autre point de la courbe. Le couple maximum Cr. est aussi appelé couple de décrochage du moteur

Bilan des puissances

o Puissance absorbée par le stator Les 3 enroulements ou phases du stator sont rigoureusement identiques et régulièrement disposés dans le circuit magnétique, ils forment une charge triphasée équilibrée dont la puissance absorbée est donnée par la formule :

a e eP 3.U .I .cos( )= ϕ

La puissance active absorbée par le moteur (synchrone ou asynchrone) sera calculée en relevant le courant de ligne efficace et la tension de ligne efficace entre phase L1, L2, L3.


15

o Bilan des pertes

o Rendement

u

a

P

Pη =

Exercice

Déterminez

Pour une alimentation à 400 V – 50 Hz

Puissance absorbée ainsi que le rendement ? Type de moteur alternatif, nombre de paire de pôles et glissement ? Couple à l’arbre moteur ?

Pourquoi la puissance délivrée à l’arbre est-elle plus grande pour une alimentation à 60 Hz ?

V 1.0 - 2013 Les moteurs monophasés

16

Généralités Il existe une grande variété de moteurs monophasés adaptés à une multitude d'applications comme l’usage domestique ou petit industriel en l’absence de triphasé. Nous étudierons dans ce cahier quelques types importants, et plus particulièrement le moteur asynchrone monophasé que l'on rencontre le plus souvent.

Moteur asynchrone monophasé à lancer Le stator à 3 bobinages du moteur asynchrone triphasé produit un champ tournant. Par contre un stator monophasé produit un champ alternatif, c'est-à-dire de direction constante mais variant en grandeur et en sens. Ce champ alternatif peut se décomposer en deux champs tournants en sens inverse l'un de l'autre. La démonstration « à contrario » est plus simple : nous partons de 2 champs tournants en sens inverses et en les additionnant à chaque instant, la figure ci-dessous démontre qu'ils sont équivalents à un champ alternatif non tournant (fixe).

Graphe du couple en fonction du glissement. Nous connaissons l'allure M = f(g) d'un rotor soumis à un champ tournant (moteur triphasé). Ici, nous avons 2 champs tournants et donc 2 caractéristiques : M1 = f(n) et M2 = f(n ) qui est la même image mais inversée (Couple et vitesse négatifs). Composons graphiquement ces 2 caractéristiques pour obtenir l'allure donnée par le champ alternatif fixe. Le couple résultant est nul à vitesse nulle c'est à dire au démarrage. Le moteur ne peut démarrer seul. Par contre, si nous lançons le moteur dans un sens ou dans l'autre, on trouve un couple moteur qui permet le démarrage dans ce sens.


17

Toutefois ce couple reste inférieur à celui qu'aurait développé un moteur triphasé. Il faut donc lancer ce moteur suffisamment que pour obtenir un couple moteur supérieur au couple résistant de la machine entraînée. Si le moteur ne démarre pas et qu'il est mal protégé, il risque de brûler. Ce type de moteur n’est plus utilisé

Moteur asynchrone monophasé à phase auxiliaire

Le moteur asynchrone monophasé se compose essentiellement d'un rotor à cage d’écureuil semblable à celui des moteurs triphasés, et d'un stator. Le stator porte un enroulement principal bobiné de façon à former des pôles dont le nombre détermine la vitesse de la machine. Il porte aussi un enroulement auxiliaire qui fonctionne seulement durant la brève période de démarrage. L'enroulement auxiliaire a le même nombre de pôles que l'enroulement principal et est disposé à 90° de ce dernier.

L'enroulement principal produit un flux φs et l'enroulement auxiliaire, un flux φa. Si ces deux flux sont déphasés l'un par rapport à l'autre, il en résulte un champ

tournant. On obtient un champ tournant parfait quand φs et φa sont égaux et déphasés de 90°. Dans ces conditions, le couple de démarrage atteint sa valeur maximale et le moteur fonctionne en moteur diphasé. Cependant, comme on le verra plus loin, le déphasage est généralement inférieur à la valeur idéale de 90°. Différentes techniques existent pour déphaser les flux, la plus utilisée aujourd’hui


18

consiste en la mise en série d’un condensateur avec l’enroulement auxiliaire. Le moteur agit comme un véritable moteur diphasé seulement lorsqu'il fonctionne à pleine charge. Dans ces circonstances, les flux Ia et Is créés par les deux enroulements sont égaux et déphasés de 90°. Par conséquent, pour ce type de moteur, la vibration qui caractérise les moteurs monophasés est éliminée lorsqu' il fonctionne à pleine charge. Cependant, la vibration réapparaît aux faibles charges. Notons aussi que la vitesse synchrone d’un moteur monophasé obéit à la même loi qu’un moteur triphasé.

Moteur à phase auxiliaire et condensateur de démarrage

Le courant est déphasé par un condensateur de démarrage, ce qui renforce l'un des champs tournants et déforce l'autre. Le champ résultant donne un couple au démarrage. Dès que le moteur atteint sa vitesse, un interrupteur centrifuge débranche la phase auxiliaire car le condensateur n'est pas prévu pour un régime permanent.

Moteur à phase auxiliaire et condensateur permanent

Puisque la phase auxiliaire améliore toujours le couple et le cosφ, nous pouvons envisager de la laisser insérée en permanence. Dans ce cas le couple de démarrage est généralement faible. Il existe cependant des moteurs possédant deux condensateurs (permanent et démarrage). Le condensateur de démarrage possède une grande capacitance et assure ainsi un gros couple de démarrage. Dès que le moteur atteint 75 % de sa vitesse synchrone, ce condensateur est débranché.

Inversion du sens de marche L'inversion de sens de marche est obtenue en permutant les connexions

principales ou auxiliaires si elles sont sorties.


19

Cependant, si le moteur contient un interrupteur centrifuge, on ne peut pas changer la rotation lorsque le moteur est en marche. Si l'on intervertit les bornes de l'enroulement principal, le moteur continuera à tourner dans le même sens.

Dans le cas du moteur à condensateur permanent, on peut inverser le sens de rotation parce que les deux enroulements sont toujours en service. Ainsi, un simple commutateur à 2 pôles permet de changer la rotation. Dans ce type de moteur, les deux enroulements sont identiques. Lorsque le commutateur est en position 1 la tension de la ligne apparaît aux bornes de l'enroulement A et le condensateur est en série avec l'enroulement B. Dès que le commutateur bascule en position 2, le moteur ralentit, arrête, puis retourne à pleine vitesse dans le sens opposé.

Moteur à bagues de court-circuit (Shaded-pole motor) Ce moteur est aussi appelé moteur à spires de Fraëger

Le moteur à bagues de court-circuit est très répandu dans les puissances inférieures à 50 W car il ne contient pas de phase auxiliaire conventionnelle. Dans ce petit moteur monophasé à cage, l'enroulement auxiliaire est constitué d'une seule spire de cuivre en court-circuit en forme de bague disposée autour d'une portion de chaque pôle saillant. Cette spire entoure une partie φ2 du champ alternatif φ1 créé par l'enroulement principal, de sorte qu'un courant alternatif est induit dans la bague. Ce courant produit un flux φa qui est déphasé en arrière des flux φ2 et φs. Ce déphasage des flux φa et φs produit un champ tournant suffisant pour assurer le démarrage. Même si le couple de démarrage, le rendement et le cos ϕ sont faibles, la simplicité du bobinage et l'absence d'interrupteur centrifuge donnent à ce type de moteur un avantage marqué. Le sens de rotation de ce moteur ne peut être changé; il est imposé par la position des bagues.


20

Moteur série ou universel

Le moteur série monophasé est du type à collecteur. À l'exception du circuit magnétique qui est entièrement lamellé pour réduire les pertes par courants de Foucault, il est identique au moteur série à courant continu. Il peut fonctionner indifféremment en courant alternatif ou en courant continu; c'est pourquoi on lui donne souvent le nom de moteur universel. Quand une tension alternative est appliquée aux bornes du moteur série, le même courant circule dans l'induit et dans les pôles du moteur. Le courant d'induit de même que le flux produit par les pôles changent donc de sens périodiquement et simultanément. Par conséquent, le couple produit dans le rotor agit toujours dans le même sens. Ce moteur ne produit pas de champ tournant; son principe de fonctionnement est le même que celui du moteur série à courant continu et il possède les mêmes caractéristiques de base.

Le principal avantage des moteurs série à puissance

fractionnaire réside dans leur vitesse élevée. Ils conviennent donc à l'entraînement des aspirateurs domestiques et aux petites machines-outils. À vide, ces moteurs atteignent des vitesses de l'ordre de 10 000 à 15 000 r/min; la vitesse chute en flèche lorsque le moteur est chargé.

À cause de sa vitesse élevée et, par conséquent, son faible couple, ce type de moteur est moins volumineux et moins lourd que les autres types de moteurs monophasés de même puissance. Cet avantage est exploité dans les outils portatifs où le poids et l'encombrement sont particulièrement importants. Ici le graphique de .la vitesse, du courant et du rendement d'un moteur série de faible puissance.

Moteur asynchrone triphasé alimenté en monophasé

Au départ, il s’agit d’un moteur triphasé, deux des enroulements sont pris comme principaux, le troisième servant de phase auxiliaire. Les déphasages géométriques (120°) ne correspondent pas tout à fait aux déphasages électriques, mais le fonctionnement en est satisfaisant. Par contre, ils peuvent être remis sans frais en triphasé lorsque le client disposera de cette tension.

V 1.0 - 2017 Les moteurs Courant Continu

21

Moteurs à courant continu


22


23


24

Résumé « Moteur à courant continu » :

V 1.0 - 2017 Les moteurs Pas à Pas

25

Les moteurs Pas à Pas

le moteur electrique – notions fondamentales table …€¦ · notions fondamentales 1/25 le...

Documents