Moteurs asynchrones, moteurs synchrones monophasés (2) - Maxicours

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Moteurs asynchrones, moteurs synchrones monophasés (2)

Il existe sur le marché différents types de moteurs à phase auxiliaire, conçus pour répondre à des besoins spécifiques. Vous en étudierez deux modèles :

- le moteur à phase résistive ;

- le moteur à capacité au démarrage.

1. Moteur à phase résistive
  • L'enroulement de marche de ce type de moteur possède un grand nombre de spires de gros fil, entraînant une grande réactance inductive (XL) et une petite résistance (R).
  • L'enroulement de démarrage se compose d'un plus petit nombre de spires réalisées avec un fil de plus petite section, provoquant une réactance inductive plus faible et une résistance plus grande que celles de l'enroulement de marche.

La figure suivante présente le diagramme vectoriel de ce type de circuit. Remarquez le déphasage des courants Imarche et Idémarrage par rapport à la tension E. Le courant qui en résulte est identifié par l'abréviation I.

Diagramme vectoriel d'un moteur monophasé à phase résistive :

Puisque le courant de marche est déphasé par rapport au courant de démarrage, les champs magnétiques qui en résultent le sont aussi et favorisent ainsi le champ magnétique tournant nécessaire au démarrage du moteur.

Lorsque le moteur atteint 75 % de sa vitesse nominale, l'interrupteur centrifuge débranche l'enroulement de démarrage. Le moteur se comporte alors comme un moteur asynchrone et tourne à une vitesse légèrement inférieure à sa vitesse synchrone.

La figure suivante représente le schéma électrique d'un moteur à phase résistive.


Dans les circuits à 230 V, L2 devient le neutre (N).

Schéma électrique d'un moteur à phase résistive :

A cause du temps de réaction relativement élevé de l'interrupteur (jusqu'à deux secondes), le moteur à phase résistive se prête mal à des démarrages fréquents. Parmi ses applications, mentionnons le fonctionnement de diverses machines-outils. Il reste malgré tout peu utilisé.

2. Moteur à condensateur de démarrage

Beaucoup plus fréquent, le moteur condensateur de démarrage ressemble au moteur à phase résistive. Un condensateur est toutefois relié en série avec l'enroulement de démarrage, ce qui permet d'accroître le déphasage entre les champs magnétiques. La puissance des moteurs à condensateur de démarrage s'échelonne de 1/20 à 10 kW.

Le diagramme vectoriel de ce type de circuit apparaît à la figure suivante.

Comme vous pouvez le constater, le déphasage entre le courant de marche et le courant de démarrage est plus grand que dans le cas d'un moteur à phase résistive. Cela permet d'obtenir un plus grand couple de démarrage.

Diagramme vectoriel d'un moteur à condensateur de démarrage :

Lorsque la vitesse du moteur atteint 75 % de sa vitesse nominale, l'enroulement de démarrage et le condensateur sont débranchés du circuit.

Cette action est réalisée par un interrupteur centrifuge ou un contact temporisé. Le moteur se comporte alors comme un moteur à phase résistive.

Les condensateurs utilisés dans ces moteurs sont de type électrolytique non-polarisé. Leur action sur le circuit ne s'exerce que pendant quelques secondes. Habituellement, le condensateur est placé sur le moteur et maintenu en place dans un boîtier prévu à cet effet.

La figure suivante montre le schéma électrique d'un moteur à condensateur de démarrage. Vous pouvez y distinguer les enroulements de marche et de démarrage de même qu'un condensateur de type électrolytique.

Schéma électrique d'un moteur à condensateur de démarrage :

Moteurs à condensateur permanent :

Le condensateur ou un 2e condensateur, peut être conservé pendant la marche normale du moteur et servir notamment au relèvement du facteur de puissance du moteur (de l'ordre de 0,75).

Moteurs à bagues de déphasage :

Le moteur à bagues de déphasage est un moteur monophasé très populaire pour des applications de faible puissance. Celle-ci peut varier de 1/100 à 1/20 kW.

Ce type de moteur convient parfaitement à des applications requérant un faible couple de démarrage, comme de petits ventilateurs ou des minuteries.

Rotor :

Le rotor est de type cage d'écureuil, tout comme c'est le cas du rotor du moteur à phase auxiliaire.

Stator :

Le stator est essentiellement constitué d'un enroulement monophasé. Chacun des pôles du stator possède une rainure dans laquelle on retrouve une spire de fil de cuivre, construite en forme de bague. Cette spire constitue une des bagues de déphasage du moteur, encore appelée spire de Frager.

La figure suivante montre le stator d'un moteur à bagues de déphasage possédant 4 pôles. Remarquez la construction particulière des pôles, qui leur permet de loger les spires de Frager.

Stator d'un moteur à bagues de déphasage :

3. Fonctionnement

Dans ce type de moteur, les bagues de déphasage, disposées dans la rainure des pôles, jouent le rôle de l'enroulement de démarrage.

L'enroulement principal (enroulement de marche), branché directement à la source d'alimentation, sert à créer le champ magnétique dans le stator.

La figure suivante montre la disposition des champs magnétiques dans un moteur à bagues de déphasage.

Champs magnétiques d'un moteur à bagues de déphasage :

Lorsque l'enroulement principal est alimenté par une source de courant alternatif, un champ magnétique (Ø S) circulant à travers le rotor est créé.

Une partie de ce champ magnétique traverse les bagues de déphasage, induisant ainsi une tension dans celles-ci.

Cette tension provoque à son tour un champ magnétique (Ø A), déphasé vers l'arrière par rapport au champ magnétique Ø S.

Le déphasage entre les deux champs magnétiques équivaut à la création d'un champ magnétique tournant : cela provoque le démarrage du moteur.

Lorsque le moteur atteint sa vitesse nominale, l'effet des bagues de déphasage devient négligeable. En effet, à ce moment, le flux produit par l'enroulement principal se concentre essentiellement dans la partie des pôles qui ne comporte pas de bague.

Le sens de rotation du moteur dépend de la position des bagues de déphasage sur les pôles. De ce fait, il s'avère impossible de changer le sens de rotation de ce type de moteur de façon externe.

4. Moteurs synchrones monophasés

Les moteurs synchrones monophasés sont des moteurs dont la puissance ne dépasse pas quelques dizaines de Watts et sont destinés à l'entraînement de programmateurs de machines à laver, de minuterie, d'horloges, etc.

Construction 

Ces moteurs, de très petite taille (figure suivante), sont constitués comme les moteurs synchrones de forte puissance, à savoir :

Un rotor constitué d'un aimant permanent en ferrite produisant des pôles nord et sud à sa périphérie.

Un stator bobiné comportant le même nombre de pôle qu'au rotor.

Moteur synchrone monophasé :

Fonctionnement :

Ces moteurs fonctionnent avec une fréquence de rotation rigoureusement constante et telle que :

.

Avec :

n = fréquence de rotation en min-1 ;

f = fréquence d'alimentation en Hz ;

p = nombre de paires de pôles.

5. Résumé sur les moteurs asynchrones, moteurs synchrones monophasés

Suite à cette étude, vous devriez retenir particulièrement les points suivants :

• Un bobinage alimenté par un courant alternatif sinusoïdal monophasé produit un champ magnétique égalent alternatif sinusoïdal.

• Un champ magnétique alternatif sinusoïdal est équivalent à deux champs magnétiques tournants en sens inverses à la même fréquence de rotation.

• On distingue deux principaux types de moteurs à phase auxiliaire : les moteurs à phase résistive et les moteurs à condensation de démarrage.

• La puissance des moteurs à phase auxiliaire varie d'une fraction de kW à quelques kW.

• Un moteur à phase auxiliaire se compose essentiellement :

- d'un rotor, de type cage d'écureuil ;

- d'un stator, constitué d'un enroulement de marche et d'un enroulement de démarrage ;

- d'un interrupteur centrifuge, dont la fonction est de débrancher l'enroulement de démarrage lorsque le moteur atteint 75 % de sa vitesse nominale.

• Pour inverser le sens de rotation d'un moteur à phase auxiliaire, il suffit d'inverser le courant soit dans l'enroulement de marche, soit dans l'enroulement de démarrage.

• Le couple de démarrage est produit par le déphasage entre le courant de marche et le courant de démarrage.

• Les moteurs condensateur de démarrage possèdent un couple de démarrage plus élevé que les moteurs à phase résistive.

• Dans certaines applications, un contact temporisé remplace l'interrupteur centrifuge.

• Les moteurs à bagues de déphasage sont des moteurs de faible puissance (de 1/100 à 1/20 kW).

• Les principaux composants du moteur à bagues de déphasage sont :

- un rotor, de type cage d'écureuil ;

- un stator, formé d'un enroulement principal et de bagues de déphasage.

• Chaque bague de déphasage est constituée d'une spire de fil de cuivre usinée sous forme de bague et placée dans la rainure d'un pôle du stator (spire de Frager).

• La position des bagues de déphasage sur les pôles détermine le sens de rotation du moteur.

• Les moteurs synchrones monophasés sont des moteurs dont la puissance ne dépasse pas quelques dizaines de Watts.

• La fréquence de rotation des moteurs synchrones est constante.

 

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