Principes généraux de fonctionnement des moteurs (2) - Cours d'Electricité avec Maxicours

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Principes généraux de fonctionnement des moteurs (2)

Nous verrons les divers types de moteur à courant continu ainsi que leurs caractéristiques propres.

1. Moteurs à courant alternatif monophasé : principe de fonctionnement

Les moteurs à courant alternatif monophasé peuvent être branchés sur les sources de courant que l'on retrouve partout, tant au résidentiel, au commercial qu'à l'industriel.
C'est ce qui rend ces types de moteur très populaires dans les cas où la puissance nécessaire n'est pas très élevée ; par exemple pour certaines machines-outils.

Lorsque les travaux à effectuer nécessitent une puissance plus élevée, on utilise plutôt des moteurs à courant alternatif triphasé, lorsque la source électrique est disponible et accessible.
La base du fonctionnement des moteurs alternatifs monophasés correspond au champ magnétique créé dans l'inducteur.
La tension alternative crée ce que l'on appelle un champ tournant.

Nous savons déjà, qu'une pièce métallique se déplaçant dans un champ magnétique, par exemple, dans le cas de bobines des relais.
Le meilleur moyen de voir ce qui se passe dans un moteur monophasé est d'utiliser une boussole.
Comme on le sait, une boussole indique toujours le nord magnétique. D'autre part, le passage du courant dans l'inducteur du moteur (stator) crée un champ magnétique qui simule celui de la terre.
Puisque ce champ tourne, la pointe de la boussole aura tendance à tourner pour continuer de viser le nord. Donc, c'est le champ tournant qui entraîne la boussole, ou le rotor dans le cas du moteur.

La figure suivante démontre l'effet du champ tournant sur une boussole :

Dans un moteur monophasé, on doit recourir à différentes méthodes pour créer un champ tournant.

En effet, un courant qui ne possède qu'une seule phase ne peut causer la rotation du champ, il est simplement pulsatoire : il passe par un maximum, puis il redescend à zéro, passe par un minimum, puis zéro, etc.
En fait, un champ alternatif monophasé peut être considéré comme la somme de deux champs tournants en sens inverse et à la même vitesse (figure ci-dessous).
Si on place la boussole dans un tel champ, elle restera immobile, étant sollicitée par les deux champs tournants.
Par contre si on la lance dans un sens elle continue à tourner ; le champ qui tourne dans le même sens exerce alors un couple supérieur à l'autre. Pour favoriser un champ sur l'autre dès le démarrage, il est nécessaire d'utiliser des artifices de démarrage tels que l'enroulement auxiliaire ou la spire de déphasage.

Champ alternatif monophasé :

2. Moteurs à courant alternatif triphasé : principe de fonctionnement

Les moteurs triphasés possèdent plusieurs qualités qui rendent leur utilisation avantageuse dans l'industrie.

Les principales qualités de cette famille de moteur sont :

  • la simplicité ;
  • la robustesse ;
  • la facilité d'entretien;
  • le prix d'achat relativement peu élevé.

Quant à leur grand inconvénient, il réside dans le contrôle de la vitesse.

En effet, comme ces moteurs possèdent une vitesse qui varie peu, cela nécessite l'utilisation d'une boîte de transmission de vitesse. Elle permet de faire le lien entre la vitesse du moteur et celle de l'équipement entraîné (figure ci-dessous).

Variation de vitesse :

On utilise donc ce type de moteur lorsque la variation de la vitesse est peu nécessaire ou qu'elle peut être faite grâce à une boîte de transmission et lorsqu'on a besoin d'une puissance relativement élevée.
Les machines-outils constituent de bons exemples d'utilisation de moteurs à courant alternatif triphasé.
On associe fréquemment les moteurs à courant alternatif triphasé à des variateurs électroniques de vitesse qui sont des convertisseurs de fréquence et permettent des variations de vitesse dans une gamme très importante (de 0,05 à plus de deux fois la vitesse nominale et des puissances jusqu'à plus de 100 kW).

Principes de fonctionnement :

Tant les moteurs triphasés que les moteurs monophasés utilisent le principe du champ tournant pour entraîner le rotor.
La principale différence se situe dans la façon de créer ce champ tournant. En effet, le champ tournant d'un moteur triphasé ne nécessite pas d'artifice supplémentaire. C'est le déphasage de 120° entre les phases qui permet d'obtenir la rotation désirée.
La figure suivante montre le branchement des enroulements des trois phases du moteur. Cela vous permettra d'observer les résultantes des vecteurs de force qui donneront la rotation.

Branchement d'un moteur triphasé :

Les divers vecteurs de force sont obtenus grâce à la Loi de la main droite.
Lorsque les doigts de la main droite entourent une bobine de fil conducteur et que l'extrémité des doigts suivent le sens du courant, le pouce représente la direction du champ magnétique.

 Vecteurs de force résultants :

La figureci-dessus permet d'observer le sens des vecteurs selon l'amplitude des phases des tensions triphasées. Ces vecteurs résultants vous donne l'occasion de voir la tendance rotative du champ et, simultanément, du rotor.
On peut remarquer que les résultantes ont toutes la même longueur. Cependant, les vecteurs a, b et c varient de longueur et de direction. Ces caractéristiques sont directement influencées par le sens et l'intensité du courant qui passe par la bobine.

Vitesse de rotation :

La vitesse de rotation du champ tournant dépend de la fréquence de la source d'alimentation du moteur.

Cette vitesse peut être obtenue grâce à l'équation suivante :

ns = .

Où ns = vitesse synchrone (tr/s) ; f = fréquence (Hz) et p = nombre de paires de pôles du stator par phase.

Exemple :
Quelle est la vitesse d'un moteur alimenté par une source triphasée dont la fréquence est de 50 Hz si celui-ci possède quatre pôles par phase ?

f = 50 Hz ;

p = 2 paires de pôles par phase ;

ns =  =  = 25 tr/s (ou s-1).

Soit en tours par minute :

25  60 = 1 500 tr/min (ou min-1).

3. Résumé sur les principes généraux de fonctionnement

A la suite de la lecture de cette étude, vous devriez maîtriser plus particulièrement les points suivants :

• la puissance nominale d'un moteur permet de déterminer la puissance maximale qu'un moteur peut supporter en travail continu, elle exprime la puissance utile sur l'arbre ;

• le rendement d'un moteur signifie le pourcentage de la puissance électrique fournie par la source que le moteur peut transformer en puissance mécanique ;

•  le couple d'un moteur est la mesure de l'effort tournant qu'il développe ;

•  le couple d'un moteur est influencé par la force du moteur et par le diamètre du rotor ;

•  le principal avantage des moteurs à courant continu est leur souplesse dans le contrôle de la vitesse ;

•  Dans l'alimentation d'un moteur à courant continu, on rencontre deux types de tension : la tension de la source (U) et la force contre électromotrice du moteur (FCEM) ;

•  les moteurs monophasés sont très populaires lorsque l'usage ne nécessite pas une puissance élevée ;

•  les moteurs monophasés et triphasés utilisent un champ magnétique tournant pour induire une rotation au rotor ;

•  le champ tournant d'un moteur monophasé doit être créé avec des artifices, car le courant monophasé produit un champ pulsatoire ;

•  la vitesse synchrone de rotation d'un moteur triphasé dépend de la fréquence de la source et du nombre de pôles par phase ou stator.

Cette étude vous a permis de vous familiariser avec les notions de base sur les diverses familles de moteurs électriques.

Ces notions vous aideront à mieux comprendre les particularités de chaque type de moteur.

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