Principes généraux de fonctionnement des moteurs (1) - Cours d'Electricité avec Maxicours

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Principes généraux de fonctionnement des moteurs (1)

1. Introduction

Il est possible, dans plusieurs cas, de réunir en un ensemble des équipements d'une même famille qui fonctionnent suivant les mêmes principes de base.

Par exemple, toutes les transmissions par courroie répondant au même rapport de transmission ; ou encore, peu importe le type de pompe, elles sont toutes régies par les mêmes lois de débit et de pression.

C'est le même cas pour les moteurs électriques : même si on en retrouve une vaste gamme sur le marché, ils fonctionnent tous selon certains principes de base.

Cette étude traite des principes élémentaires:

  • des moteurs à courant continu;
  • des moteurs à courant alternatif monophasé;
  • des moteurs à courant alternatif triphasé.
a. Terminologie
Il est important, avant d'aborder les divers types de moteurs, de se familiariser avec la terminologie ayant trait aux moteurs électriques.
Cela permettra une meilleure compréhension de la description des différents moteurs.
b. Puissance

La puissance inscrite sur la plaque signalétique indique la valeur nominale que peut fournir le moteur lors d'un fonctionnement continu. Par exemple, un moteur de 20 kW peut supporter une charge de 20 kW en travail continu.

Ce même moteur peut également soutenir une charge de 25 kW, mais sur des périodes de courte durée (quelques minutes par heure).

c. Rendement

Le rendement d'un moteur électrique est une valeur importante car elle peut, dans certains cas, être l'indice qui permettra d'évaluer le bon fonctionnement du moteur.

Un moteur ne peut fournir une puissance supérieure ou même égale à celle de la source. La figure suivante présente quelques pertes en puissance normales pour un moteur.

Pertes :

Le rendement d'un moteur est donc le pourcentage de la puissance électrique fournie par la source que le moteur peut transformer en puissance mécanique.

Rendement () = 

Où P1 = puissance électrique fournie par la source ; P2 = puissance mécanique utile ;  = rendement.

Dans l'exemple de la figure ci-dessus, le rendement serait de :

 =  = 0,8 ou 80 %

On peut aussi trouver la quantité de puissance perdue par le moteur grâce à la formule suivante :

P1 - P2 = p.

Où P1 = puissance fournie par la source ; P2 = puissance utile ; p = pertes;

Comme vous l'avez vu précédemment, il est tout à fait normal qu'un moteur ait des pertes de puissance. Le problème se pose lorsque celles-ci dépassent les caractéristiques du constructeur. Il s'agit alors d'un bon indice du mauvais état du moteur et, par conséquent, de la nécessité d'une inspection.

2. Le couple du moteur

Le couple du moteur est la mesure de l'effort tournant qu'il développe. C'est-à-dire que c'est une force qui tend à faire tourner un objet. La figure suivante, à l'aide d'un poids et d'une poulie, permet de démontrer le couple.

L'équation qui permet de calculer la valeur du couple est :

T = F x r.

T = couple, en Newton mètre (Nm) ;

= force, en Newton (N) ;

= rayon, en mètre (m).

Donc, dans l'option (A) de la figure ci-dessus, le couple sera de :

T = F · r1

T = 500 N  0,2 m

T = 100 Nm.

Tandis que l'option (B) aura un couple de :

T = F · r1

T = 500 N  0,4 m

T = 200 Nm.

Comme ces couples développés sont transférés directement sur la poulie, nous sommes en mesure de calculer la masse qu'il serait possible de soulever dans chacun des cas.

Option (A) :

T = F · r2 ou F = 

F =  = 1 000 N

La masse se calcule grâce à l'équation :

F = m · g

où F = force, en Newton (N) ;
m = masse, en kilogramme (kg) ;
g = gravité ou accélération de la pesanteur ; g = 9,8 m/s2.

m = 

m =  = 102 kg

Option (B) :

T = F · r2 ou F = 

F =  = 2 000 N

Et la masse qu'on peut soulever est égale à :

m =  ; m =  = 204 kg

On remarque donc qu'en allongeant le bras on augmente le couple, ce qui permet de soulever une masse supérieure.

C'est le même principe lorsqu'on utilise une clé plus longue pour desserrer un boulon récalcitrant.

On retrouve, dans les moteurs, un couple qui dépend de la force du moteur et de la dimension de son rotor :

En effet, le rayon physique du rotor (partie tournante du moteur) permet d'obtenir un couple plus ou moins grand ; plus le rayon est grand, plus le couple pourra être élevé.

3. Moteurs à courant continu : principe de fonctionnement

Les centrales électriques produisent de l'électricité à courant alternatif, rendant ainsi l'utilisation des moteurs à courant continu peu pratique.

A cet effet, on doit transformer le courant alternatif en courant continu par l'intermédiaire d'équipements coûteux qui prennent beaucoup d'espace. Il est cependant préférable, dans certains cas, d'employer un moteur à courant continu, dont le principal avantage réside dans la souplesse du contrôle de la vitesse.

La figure suivante montre les principaux éléments qui composent un moteur à courant continu.

Vue éclatée d'un moteur CC :

Principes de fonctionnement :

Les moteurs CC possèdent deux tensions qu'il serait bon de différencier :

• la tension U de la source, qui sert à faire tourner le moteur ;
la réaction de la machine qui tourne et produit une tension E' qui est la Force contre-électromotrice (FCEM).

Le circuit de la figure suivante démontre le rôle de la FCEM.

Circuit d'un moteur CC :

La force contre-électromotrice varie directement avec la vitesse de rotation du moteur.

Au départ, la vitesse du moteur et sa tension induite sont nulles. Ainsi, le courant Ia est maximum lors du démarrage.

Lorsque la vitesse du moteur augmente, la force contre-électromotrice augmente, ce qui a pour effet de faire diminuer le courant de l'induit. On vérifie ce phénomène grâce à l'équation suivante :

Ia =

Lorsque la charge augmente, la vitesse du moteur a tendance à diminuer ce qui a pour effet de réduire la valeur de la FCEM. Cette diminution permet de rétablir la vitesse en augmentant Ia, ce qui augmente le couple du moteur.

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