Moteurs asynchrones, moteurs synchrones monophasés (1)

Le principe de fonctionnement des moteurs synchrones monophasés, tout comme les moteurs asynchrones monophasés, d'ailleurs, repose comme celui des moteurs triphasés de même type, sur l'existence d'un champ magnétique tournant dans le stator.

En triphasé, c'est le déphasage de 120° entre les trois tensions qui alimentent trois bobinages également disposés à 120° qui est à l'origine du champ tournant dans l'espace ainsi créé.

En monophasé nous ne disposons que d'une seule tension et nous devons user d'artifices pour créer et utiliser un champ tournant.

En alimentant un bobinage par un courant alternatif sinusoïdal monophasé un champ magnétique alternatif est crée.

Ce champ passera d'une valeur maximale à une valeur minimale (de signe opposé) en passant par la valeur nulle et selon une variation sinusoïdale tout comme le courant qui en est à l'origine et comme le montre la figure suivante.

Champ magnétique créé par un courant alternatif sinusoïdal monophasé :

Nous pouvons considérer que ce champ magnétique B est le champ résultant de deux champs tournants de même amplitude  tournants en sens inverses à la même fréquence de rotation (n_s = f).

Vous pouvez voir sur la figure suivante la composition des deux champs tournants (B₁ et B₂) pour obtenir le champ résultant B à différents instants t₀ à t₇. Nous obtenons donc bien à partir du monophasé deux champs tournants en sens inverses. Cette propriété est appelée théorème de Leblanc.

Si nous disposons une aiguille aimantée au centre du champ ainsi créé, l'aiguille vibre, mais ne tourne pas, mais il suffit de lui donner une petite impulsion dans un sens ou dans l'autre pour qu'elle se mette à tourner à la vitesse de synchronisme, elle s'accroche au champ B₁ ou B₂, celui qui tourne dans le sens où elle a été lancée.

Il suffit donc de favoriser un champ ou l'autre (B₁ ou B₂) pour qu'un moteur utilisant ce principe puisse démarrer. Il en sera de même si l'on dispose un disque conducteur à la place de l'aiguille aimantée, tout comme en triphasé (les moteurs triphasés).

Ce sont les différentes techniques utilisées pour créer ce déséquilibre entre les champs qui constituent les différentes familles de moteur asynchrones monophasés. La constitution de ces moteurs monophasés et triphasés étant très semblable en dehors de l'artifice de démarrage, on retrouvera le stator, bobiné, et le rotor qui est en général à cage d'écureuil.

Champ tournant monophasé :

Moteurs asynchrones à phase auxiliaire :

Les moteurs à phase auxiliaire sont fabriqués dans une gamme de puissances variant d'une fraction de kW à quelques kW.

Ils se composent essentiellement d'un rotor et d'un stator.

La figure suivante montre un moteur à phase auxiliaire utilisé comme circulateur dans les systèmes de chauffage à eau chaude.

Comme leur nom l'indique, la particularité des moteurs à phase auxiliaire consiste en la présence d'un enroulement auxiliaire, servant au démarrage.

Moteur à phase auxiliaire :

Le rotor des moteurs à phase auxiliaire est de type cage d'écureuil.

Le rotor peut être divisé en trois éléments distincts :

- un noyau ;

- un arbre, qui traverse le noyau ;

- des barres de cuivre ou d'aluminium coulées, montées sur le noyau.

Stator des moteurs asynchrones à phase auxiliaire

Le stator des moteurs asynchrones à phase auxiliaire se compose de :

- un enroulement de marche,

- un enroulement de démarrage (enroulement auxiliaire).

Ces deux enroulements sont disposés dans les encoches du stator. L'enroulement de marche est fixé au fond des encoches ; l'enroulement de démarrage est placé sur l'enroulement de marche et décalé par rapport à celui-ci. Cette disposition permet de produire le champ magnétique tournant nécessaire au démarrage du moteur.

Le nombre d'enroulements de marche et d'enroulements de démarrage est toujours égal. Ce nombre détermine le nombre de pôles du moteur.

Ainsi, un moteur possédant deux enroulements de marche et deux enroulements de démarrage possédera aussi deux pôles.

Le nombre de pôles du moteur définit à son tour la vitesse du champ tournant, qu'on appelle aussi vitesse synchrone.

Celle-ci se calcule à l'aide de l'équation suivante :

Dans laquelle :

N_s = vitesse de rotation du champ tournant (min^-1).

ƒ  = fréquence du courant d'alimentation (Hz).

p = nombre de paires de pôles du moteur.

Les moteurs asynchrones tournent à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse synchrone.

Exemple d'application de cette formule :

Problème :
Un moteur monophasé possédant 4 pôles est alimenté par une tension de ligne de 230 V et d'une fréquence de 50 Hz. Quelle est la vitesse du champ tournant du moteur ?

Solution :
Pour connaître la vitesse du champ tournant du moteur, il suffit d'appliquer l'équation suivante :

.

Avec p = 2 paires de pôles.

N_s = .

N_s = 1.500 min^-1.
La vitesse du champ tournant du moteur est donc de 1.500 min^-1.

L'interrupteur centrifuge est un dispositif servant à débrancher l'enroulement de démarrage du circuit lorsque le moteur atteint de 75 à 80 % de sa vitesse nominale.

Si l'enroulement de démarrage n'était pas débranché, il risquerait de griller. En effet, il n'est pas suffisamment puissant pour porter le courant auquel il serait alors soumis.

La figure suivante montre une vue en coupe d'un moteur à phase auxiliaire et identifie ses principales composantes.

Vue en coupe d'un moteur à phase auxiliaire :

La connexion des enroulements s'effectue souvent sur un bornier contenu dans le moteur.

Pour inverser le sens de rotation des moteurs à phase auxiliaire, il suffit d'inverser le courant dans l'un ou l'autre des enroulements.

En effet, l'inversion des fils d'alimentation provoquerait l'inversion du courant dans les deux enroulements, ce qui maintiendrait le sens de rotation du moteur.

La figure suivante illustre les schémas électriques d'un moteur à phase auxiliaire pour qu'il fonctionne dans l'un et dans l'autre sens de rotation. Sur ces schémas, remarquez que le courant a été inversé dans l'enroulement de démarrage seulement.

Schéma électriques d'un moteur à phase auxiliaire :