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Chapitre 17 Sciences Physiques - BTS

Moteurs à courant continu – Moteurs asynchrones

1 Loi de Laplace

1.1 Etude expérimentale

Le conducteur est parcouru par un courant

continu ; il est placé dans un champ

magnétique. Le conducteur se déplace sur le

rail.

1.2 Enoncé

Tout conducteur parcouru par un courant d’intensité I, placé

dans un champ magnétique d’induction , est soumis à une

force électromagnétique appelée force de Laplace.

1.3 Caractéristiques

Le sens de la force est donné par la règle des 3 doigts de la main

droite : majeur = magnétisme / index = intensité / pouce = force

L’intensité de la force de Laplace est donnée par la formule :

Le champ magnétique s’exprime en tesla.

2 Courants de Foucault

Lorsqu’un disque métallique se déplace dans un champ magnétique, il se

produit dans les masses métalliques, des courants induits appelés courants

de Foucault. D’après la loi de Lenz, l’effet de ces courants s’oppose à la

cause qui leur donne naissance, c'est-à-dire à la rotation : des forces de

Laplace apparaissent et provoquent le freinage.

Utilisation : freinage des bus et des poids lourds – système Telma

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3 Moteur à courant continu

Un moteur à courant continu comporte trois organes

essentiels :

Le stator

Le rotor

Le collecteur

3.1 Le stator ou inducteur

Le stator est constitué d’un électroaimant à deux

pôles ; la carcasse ferme le circuit magnétique. Dans certain cas, le stator est un aimant permanent.

3.2 Le rotor ou induit

L’induit est constitué d’un cylindre présentant des encoches dans lesquelles sont logés les

conducteurs droits.

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Le collecteur est constitué de lames de cuivre isolées entre elles. Deux frotteurs appelés « balais » ou

« charbons » appliqués sur le collecteur assurent l’alimentation des conducteurs induits.

3.3 Fonctionnement

L’induit est placé dans le champ magnétique créé par l’inducteur. Les

conducteurs droits situés dans le champ d’induction sont soumis aux

forces de Laplace et . Ces actions conjuguées provoquent la

rotation du moteur.

Lorsqu’un conducteur traverse la ligne neutre, la force à laquelle il est

soumis doit changer de sens de façon à ne pas interrompre la rotation ;

pour cela, le sens du courant dans le conducteur doit lui-même

changer : c’est le rôle du collecteur.

3.4 Loi d’Ohm. Force contre-électromotrice

La loi d’Ohm est donnée par la relation :

La f.c.é.m. est donnée par la relation :

Schéma équivalent de l’induit

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3.5 Puissances

Puissance électrique absorbée :

Puissance électromagnétique :

Pertes par effet Joule :

3.6 Problème posé par le démarrage

D’après les relations précédentes :

correspond au fonctionnement normal du moteur : c’est l’intensité nominale. Si le flux est constant,

l’intensité ne dépend donc que de la fréquence de rotation . Mais à l’instant du démarrage, ,

donc : le rotor se conduit comme un résistor et l’intensité est maximale.

Afin de limiter les surintensités à l’instant du démarrage, on place en série avec l’induit un rhéostat

de démarrage de résistance :

4 Moteur asynchrone triphasé

4.1 Définitions

Une machine synchrone est une machine électrique :

produisant un courant électrique dont la fréquence est déterminée par la vitesse de rotation

de la machine : fonctionnement « générateur » (alternateur) ;

absorbant un courant électrique dont la fréquence détermine la vitesse de rotation de la

machine : fonctionnement « moteur ».

La machine asynchrone, connue également sous le terme " anglo-saxon " de machine à induction,

est une machine à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Le terme asynchrone

provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence

des courants qui la traversent.

en tr/s

en N.m

en W

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La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les

domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. On les retrouve

aujourd'hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains,

propulsion des navires), de l'industrie (machine-outil), dans l'électroménager. Elles étaient à l'origine

uniquement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l'électronique de puissance, sont de plus en

plus souvent utilisées en génératrice. C'est par exemple le cas dans les éoliennes.

Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour

les applications de puissance, au-delà de quelques kilowatts, les moteurs asynchrones sont

uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés

4.2 Le stator

Le stator est constitué de la carcasse, sur laquelle

sont montés les bobinages formant un ensemble de

trois enroulements correspondants aux trois phases

du réseau d’alimentation.

4.3 Le rotor

Le rotor est constitué de tôles d’acier empilées et formant un

cylindre. Il existe plusieurs types de rotors, parmi lequel le rotor

dit « à cage d’écureuil » comprenant des conducteurs

sensiblement parallèles à son axe.

4.4 Champ magnétique tournant

DU point de vue électrique, le stator est équivalent à

un système de trois bobines identiques dont les axes

forment des angles de 120°. Le stator, alimenté en

courant triphasé, crée un champ magnétique

tournant :

Chaque bobine crée un champ magnétique variable

proportionnel au courant qui la traverse et dont le

sens est lié à celui du courant dans la bobine. Si on

construit le vecteur de l’induction résultante à

chaque instant t , on obtient un vecteur de norme

constante qui tourne autour du centre des 3 bobines.

Remarque : L’intensité de l’induction magnétique au voisinage du centre de la bobine est

donnée par la relation :

N : nombre de spires

l : longueur du solénoïde

I : intensité du courant

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Le champ tournant produit dans les masses métalliques du rotor des courants de Foucault. Ces

courants induits produisent des forces électromagnétiques dont l’effet tend à s’opposer à la rotation

de champ qui leur donne naissance : le rotor est entraîné dans le sens du champ tournant à une

vitesse légèrement inférieure (glissement).

SI le rotor tournait à la même vitesse que le champ (synchronisme), il n’y aurait pas de courants

induits. La fréquence de rotation du rotor, noté n est inférieure à la fréquence de rotation du champ

appelée fréquence de synchronisme, noté ns.

Cas du moteur synchrone Cas du moteur asynchrone

4.5 Fréquence de synchronisme d’une machine multipolaire

Sur chaque phase, deux bobines sont couplées (diamétralement

opposées), de sorte que quand l’une présente un pôle nord, l’autre

présente un pôle sud.

On admet la relation :

4.6 Glissement

Le glissement est le rapport de la fréquence de glissement à la fréquence de synchronisme :

et sont exprimées en t/s ou t/min

Cas d’un moteur bipolaire

1 paire de pôle par phase :

p=1

: fréquence du courant

d’alimentation

: nombre de paire de pôles

par phase

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4.7 Bilan des puissances

4.7.1 Puissance électrique absorbée par le stator

4.7.2 Pertes statoriques – Puissance mécanique transmise

Les pertes statoriques sont constituées par les pertes par effet joule notées et les pertes

magnétiques dans le stator appelées aussi « pertes fer » et notée

On définie ainsi la puissance transmise du stator au rotor :

4.7.3 Pertes rotoriques

Les pertes rotoriques sont constituées des pertes par effet joules dues aux courants de Foucault ( )

et des pertes mécaniques dues aux frottements ( )

4.7.4 Puissance mécanique utile – Moment utile

4.7.5 Rendement

Le rendement du moteur est le rapport de la puissance utile indiquée sur la plaque signalétique

par la puissance électrique absorbée

U : valeur efficace de la tension composée

I : valeur efficace du courant de ligne

: déphasage entre le courant et la tension

en tr/s

en N.m

en W