Moteurs à courant alternatif (c.a.)

4 Moteurs à courant alternatif (c.a.)

Tous les moteurs fonctionnant en c.a. ont en commun l'existence d'un champ magnétique tournant produit par les enroulements du stator.

Dans le cas des moteurs triphasés, on peut illustrer ce concept par le dessin de trois bobines réparties également autour du rotor. Chaque bobine est reliée à l'une des trois phases d'une alimentation électrique triphasée (Figure 4-1).

dessin montrant un enroulement de stator et rotor

Figure 4-1 : Développement d'un champ magnétique tournant

 
dessin montrant un champ magnétique tournant

Figure 4-2 : Champs résultants

 

Le courant traversant chaque bobine varie de façon sinusoïdale avec le temps et il est déphasé de 120° par rapport au courant des autres bobines. Ainsi, le courant dans la bobine B est en retard d'un tiers de période par rapport à celui de la bobine A, et le courant dans la bobine C en retard d'un tiers de période par rapport à celui de la bobine B (Figure 4-2).

Le rotor voit le champ magnétique tournant net engendré par les trois bobines et se met à tourner en développant ainsi un couple sur l'arbre de transmission du moteur. Ce champ tourne soit dans le sens horaire, soit dans le sens antihoraire, en fonction de l'ordre des phases raccordées au moteur.

L'inversion du sens de rotation d'un moteur triphasé s'obtient tout simplement en changeant l'ordre de raccordement de deux des trois conducteurs d'alimentation.

La vitesse de rotation du champ tournant dépend du nombre de pôles magnétiques dans le stator : c'est la vitesse synchrone.

 Equation: synchrone vitesse est égale à 120 fois la fréquence divisée par le nombre de poteaux

La fréquence est celle de l'alimentation (par ex., 60 Hz).

Dans les moteurs c.a., le nombre de pôles magnétiques (ou simplement pôles) est le principal facteur conceptuel agissant sur la vitesse.

a. Moteurs à induction triphasés

Le rotor d'un moteur à induction ne tourne pas à la vitesse synchrone, c'est-à-dire à la vitesse du champ magnétique du stator, mais il existe un léger décalage temporel entre les deux vitesses. Ce décalage, nommé "glissement", s'exprime en pourcentage de la vitesse synchrone. Le glissement du moteur est le résultat de l'interaction entre le champ magnétique du stator et le champ magnétique créé par les courants induits circulant dans le rotor. Les barres du rotor coupent les lignes de force magnétiques et produisent ainsi un couple moteur. Quand le moteur ralentit (c.-à-d. lorsque le glissement augmente) sous l'action de la charge ajoutée, le couple engendré augmente.

 Equation: glissement est égal à synchrone vitesse de défilement de moins de vitesse divisée par la vitesse synchrone tout temps 100

Les moteurs à induction triphasés sont très robustes et très fiables; c'est d'ailleurs le type de moteurs le plus couramment utilisé.

Malheureusement, leur facteur de puissance a tendance à diminuer dans le cas de charges réduites. Ceci est attribuable au fait que le courant fourni sert uniquement à entretenir le champ magnétique

b. Moteurs à cage d'écureuil

Le rotor d'un moteur à cage d'écureuil est composé de barres conductrices parallèles à l'arbre et court-circuitées par des anneaux protecteurs qui supportent leurs extrémités (voir la Figure 4-3).

La dimension, la forme et la résistance des barres ont une influence déterminante sur les caractéristiques couple-vitesse. Un bris dans une barre du rotor ou à un point de raccordement avec un anneau protecteur peut avoir de sérieuses conséquences, notamment des vibrations haute fréquence, ou même provoquer la défaillance du moteur.

dessin d'une cage d'écureuil

Figure 4-3 : Cage d'écureuil

 

Afin de faciliter le choix des moteurs, la NEMA (National Electrical Manufacturers Association) désigne par les lettres A, B, C et D les caractéristiques de construction couple-vitesse standard des moteurs à cage d'écureuil de 200 HP et moins Tableau 4 1et Figure 4-4).

Type de
construction
Couple de démar­rage Courant de démarrage Couple de crochage Glissement à pleine charge Domain des d’emploi types
Peu utilisé normal élevé élevé <5% Machines-outils, ventilateurs, pompes
B normal normal normal <5% Mêmes que A
C élevé normal peu élevé <5% Compresseurs, broyeurs, convoyeurs
D très
élevé
peu élevé s/o >5% Poinçonneuses, monte-charge à inertie élevée
exemples de couple-vitesse graphiques de conception A, B, C, D Motors

Figure 4-4 : Graphiques couple-vitesse des moteurs de type A, B, C, D

 

Les moteurs de type B sont les plus courants et conviennent à la plupart des applications.

Les moteurs de type A ne sont généralement plus spécifiés à l'heure actuelle en raison de leur courant de démarrage élevé. On leur préférera des moteurs de type B.

On désigne également les types de moteurs comme étant à usage général, déterminé ou spécial.

On appelle "moteur à usage général" tout moteur qui est construit suivant des caractéristiques normalisées comme celles spécifiées dans la norme NEMA Standards Publication MG1-1993, paragraphe 14.02.

On appelle "moteur à usage déterminé" tout moteur construit suivant des normes spécifiques et ayant des caractéristiques normalisées de fonctionnement ou une construction mécanique permettant son utilisation dans des conditions particulières, telles que celles spécifiées dans la norme NEMA Standards Publication MG1-1993.

On appelle "moteur à usage spécial" tout moteur autre qu'un moteur à usage général ou à usage déterminé, de caractéristiques de fonctionnement spéciales ou de construction mécanique spéciale, ou des deux, prévu pour un usage particulier. Les moteurs de plus de 500 HP sont habituellement considérés comme des moteurs à usage spécial plutôt que comme des moteurs à usage général, et sont construits pour l'application particulière.

Moteurs à induction à rotor bobiné

Le moteur à induction à rotor bobiné fonctionne selon les mêmes principes que le moteur à cage d'écureuil, mais son rotor est de construction différente. Plutôt que d'être doté de barres en court-circuit, le rotor est constitué d'enroulements aboutissant à des bagues collectrices sur l'arbre.

On fait appel à ce type de moteur dans des cas spécifiques nécessitant un couple de démarrage élevé. Le raccordement au rotor d'une résistance extérieure par le biais des bagues collectrices permet une variation des caractéristiques couple-vitesse du moteur (Figure 4-5 & Figure 4-6). Après le démarrage, les bagues collectrices sont court-circuitées.

La mise en court-circuit des raccordements externes entraîne un fonctionnement similaire à celui des moteurs à cage d'écureuil.

dessin de moteur à induction à rotor bobiné

Figure 4-5 : Moteur à induction à rotor bobiné

 

On peut faire varier la gamme de vitesse d'environ 5:1 en ajoutant une résistance externe au circuit du rotor. Cette variation se fera toutefois au détriment de l'efficacité électrique, à moins de recourir à un circuit de récupération de l'énergie de glissement.

exemple de plaies couple-vitesse du rotor graphique pour diverses valeurs de résistances externes

Figure 4-6 : Graphique couple-vitesse des moteurs à rotor bobiné pour diverses valeurs de résistances externes

 

Le couple maximal que peut développer un moteur à rotor bobiné est déterminé par la construction de son rotor, alors que la vitesse à laquelle ce couple est développé dépend de la résistance externe reliée au rotor.

Chaque modèle de moteur à rotor bobiné présente une gamme de courbes couple-vitesse correspondant aux diverses valeurs de la résistance externe reliée au rotor.

d. Moteurs à induction monophasés

Lorsqu'un moteur à induction monophasé marche, il engendre un champ magnétique tournant. Mais avant que le rotor commence à tourner, le stator ne génère qu'un champ stationnaire pulsatoire.

Pour produire un champ tournant, et, par conséquent, un couple de démarrage, on place un enroulement de démarrage auxiliaire à angle droit de l'enroulement principal du stator de telle sorte que les courants qui les parcourent soient déphasés de 90° (1/4 de période). Le champ magnétique est alors décalé de 90° par rapport à l'alignement du champ initial et le rotor tend à s'aligner avec les pôles magnétiques, créant ainsi un couple de démarrage. L'emplacement physique de l'enroulement de démarrage et sa polarité par rapport à l'enroulement principal font que le moteur tourne en permanence dans le même sens après avoir été démarré. Une fois le moteur en marche, l'enroulement auxiliaire est souvent débranché du circuit à l'aide d'un interrupteur centrifuge.

Un enroulement de démarrage défectueux va se traduire par un faible bourdonnement du moteur que l'on pourra démarrer dans un sens ou dans l'autre en lui imprimant à la main et avec précaution une légère rotation.

On utilise les moteurs à induction monophasés là où l'on ne dispose pas d'un réseau électrique triphasé et, en général, dans la gamme de puissances allant de moins d'un HP à 10 HP. Des moteurs monophasés de plus de 10 HP existent et on les utilise avec des dispositifs électroniques de puissance pour limiter les courants de démarrage qui seraient sans cela très élevés.

Tableau 4-2 : Moteurs à induction monophasés c.a. (Réf. 23)
Type de moteur Couple de démarrage Rendement Domaines d'emploi
A bague de déphasage peu élevé peu élevé Ventilateurs à entraînement direct
A enroulement auxiliaire de
démarrage
peu élevé moyen Ventilateurs à entraînement direct, pompes centrifuges, com-presseurs d'air et de réfrigération
moyen moyen Ventilateurs à courroie, compres-seurs d'air et de réfrigération, gros électroménager
à démarrage par conden-sateur moyen moyen Ventilateurs à courroie, compres-seurs, pompes centrifuges, appa-reils industriels, agricoles, gros électroménager, électroménagers commerciaux, équipements de bureau
élevé moyen Pompes volumétriques, compres-seurs d'air et de réfrigération
à condensa-teur
de démarrage
et de marche
moyen élevé Ventilateurs à courroie, pompes centrifuges
élevé élevé Pompes volumétriques, compres-seurs d'air et de réfrigération, appareils industriels, agricoles, gros électroménager, électro-ménagers commerciaux, équipe-ments de bureau
à condensa-teur permanent peu élevé élevé Ventilateurs à entraînement direct, compresseurs de réfrigé-ration, équipements de bureau

e. Moteurs à enroulement auxiliaire de démarrage

Les moteurs à enroulement auxiliaire de démarrage utilisent un enroulement de démarrage dont le rapport résistance/réactance diffère de celui de l'enroulement principal afin de produire le déphasage nécessaire au démarrage du moteur (Figure 4-7).

dessin montrant la conception de moteurs triphasés cassés

Figure 4-7 : Moteur à enroulement auxiliaire de démarrage

 

Le déphasage n'atteint pas les 90° souhaités, et les champs magnétiques ne sont pas égaux. Il en résulte un couple de démarrage plus faible que dans le cas des autres moteurs.

Le couple de démarrage d'un moteur à enroulement auxiliaire de démarrage est néanmoins suffisant dans de nombreux cas tels que les ventilateurs de comptoirs frigorifiques et certains outils électriques (par ex. perceuse à colonne). Ces moteurs sont bon marché à produire, ce qui explique qu'ils soient en vogue pour les produits de fabricants d'origine. Leur puissance assignée s'élève jusqu'à environ 1/2 HP.

f. Moteurs à condensateurs

De nombreux moteurs monophasés incluent un condensateur en série avec un des enroulements du stator afin d'optimiser le déphasage du champ au démarrage. Les courants capacitifs déphasent la tension en avant de 90°. En ajoutant des condensateurs, on obtient un déphasage du courant dans un enroulement par rapport à l'autre. Il en résulte un couple de démarrage plus élevé que ne peut en produire un moteur à enroulement auxiliaire de démarrage.

On utilise les moteurs à condensateur pour des applications nécessitant un couple de démarrage élevé, par exemple dans le cas des compresseurs ou des climatiseurs. Leur puissance assignée s'élève jusqu'à environ 10 HP.

Moteurs à condensateur de marche

Les moteurs à condensateur de marche possèdent un condensateur raccordé en permanence en série à l'un des enroulements du stator afin d'assurer un équilibre acceptable entre un bon couple de démarrage et de bonnes caractéristiques de fonctionnement (Figure 4-8). Ces moteurs sont moins coûteux que les autres moteurs à condensateur qui comportent des systèmes à commutation de condensateurs.

dessin montrant la conception de moteur condensateur de marche

Figure 4-8 : Moteurs à condensateur de marche

 

Ils présentent un couple de démarrage et des caractéristiques de fonctionnement meilleurs que les moteurs à enroulement auxiliaire de démarrage; on les appelle parfois moteurs à condensateur permanent (PSC).

Les moteurs de ventilateurs des nouvelles chaudières sont quelques fois équipés de moteurs à condensateur de marche.

Moteurs à condensateur de démarrage

Dans les moteurs à condensateur de démarrage, un condensateur est raccordé en série avec l'enroulement de démarrage et il est dimensionné de façon à optimiser le couple de démarrage (Figure 4-9).

dessin montrant la conception de condensateur démarrer le moteur

Figure 4-9 : Moteur à condensateur de démarrage

 

L'enroulement de démarrage est mis hors circuit par un interrupteur centrifuge ou un relais électronique lorsque le moteur a atteint sa vitesse de fonctionnement. Le couple de démarrage est plus élevé que dans les moteurs à condensateur de marche avec des caractéristiques de fonctionnement comparables à celles d'un moteur à enroulement auxiliaire de démarrage.

Moteurs à condensateurs de démarrage et de marche

Ce type de moteur utilise un condensateur raccordé en série avec l'enroulement principal du stator, optimisé pour les caractéristiques de fonctionnement (Figure 4-10). Un second condensateur monté en série avec l'enroulement de démarrage optimise le couple de démarrage. Le condensateur de démarrage est mis hors circuit lorsque le moteur a atteint sa vitesse de fonctionnement.

Le condensateur peut parfois faire défaut et le moteur ne pourra démarrer. Une méthode simple consiste alors à retirer le condensateur et à le vérifier avec un ohmmètre (réf. 2). On emploiera, si c'est possible, l'échelle en ohms la plus élevée. Au contact des bornes du condensateur, la valeur en ohms devrait descendre rapidement, puis diminuer et remonter à nouveau : cela signifie que le condensateur est en bon état. Mais si l'aiguille de l'ohmmètre indique immédiatement une valeur faible proche de zéro, le condensateur est en court-circuit; si la lecture se maintient à une valeur très élevée, le condensateur est à circuit ouvert. En le remplaçant par un nouveau condensateur de mêmes caractéristiques, cela devrait régler le problème.

Aussi bien le couple de démarrage que les caractéristiques de fonctionnement sont optimisés.

dessin montrant la conception de condensateur début - un condensateur du moteur

Figure 4-10 : Moteur à condensateurs de démarrage et de marche

 

g. Moteurs à bague de déphasage

Il s'agit du type de moteur monophasé le plus simple et son coût est très peu élevé (Figure 4-11).

Il développe un champ tournant en différant l'accumulation de flux magnétique dans une portion de chaque pôle saillant

dessin montrant la conception de moteur à bague de déphasage

Figure 4-11 : Moteur à bague de déphasage

 

La bague de déphasage est un conducteur en cuivre qui entoure une portion du pôle d'une seule spire et l'isole du reste du pôle.

Le flux magnétique dans la portion sans bague de déphasage augmente avec l'intensité du courant circulant dans son enroulement. L'accroissement du champ magnétique dans la portion munie de la bague de déphasage est par contre retardé par le courant induit dans la bague de cuivre. Le champ magnétique balaie la face du pôle, de la portion non munie de la bague de déphasage à la portion qui en est munie, développant ainsi un couple dans la cage d'écureuil.

Afin d'optimiser le couple, le rotor possède une résistance relativement élevée.

On a recours aux moteurs à bague de déphasage dans les cas où un couple peu élevé est suffisant : c'est le cas notamment des ventilateurs. Leur puissance est en général inférieure à ¼ HP.

Du fait de leur faible rendement, les moteurs à bague de déphasage devraient être utilisés uniquement dans les cas où le moteur est, ou bien très petit, ou bien tourne pendant de très courtes périodes de temps (par ex. le moteur d'un ventilateur de douche.

h. Moteurs synchrones

Un moteur synchrone engendre des pôles magnétiques en des emplacements fixes du rotor. Ces pôles se verrouillent sur le champ tournant du stator, ce qui entraîne la rotation du rotor à la vitesse synchrone correspondant à la fréquence d'alimentation de 60 Hz.

Une méthode simple pour déterminer la vitesse d'un moteur synchrone est de diviser 3600 par la moitié du nombre de pôles. Par exemple une machine à 2 pôles va tourner à 3600 tr/min, une machine à 4 pôles à 1800 tr/min, une machine à 6 pôles à 1200 tr/min, et ainsi de suite.

Il existe différents types de moteurs synchrones monophasés et triphasés.

Les moteurs synchrones coûtent nettement plus que les moteurs à induction. Ils ne servent généralement que pour des applications dans lesquelles une vitesse constante est absolument nécessaire et aucun glissement du moteur n'est toléré (voir Section 4 a).

Moteurs synchrones à rotor excité

Les pôles magnétiques du rotor sont des électro-aimants alimentés en courant continu soit par l'intermédiaire de bagues collectrices à partir d'une alimentation c.c. externe fixe, soit de façon interne par un alternateur (du type sans balais) monté sur l'arbre du rotor (Figure 4-12).

dessin montrant excitation pour un moteur synchrone sans balais

Figure 4-12 : Excitatrice pour moteur synchrone sans balais

 

L'intensité du courant d'excitation peut être ajustée en faisant varier le courant rotorique du moteur à balais ou l'excitation du champ de l'alternateur du moteur sans balais.

La modification du niveau d'excitation du rotor entraîne une modification du facteur de puissance du moteur.

Le moteur peut fonctionner avec un facteur de puissance inductif (sous-excité) ou capacitif (surexcité).

Un moteur synchrone surexcité est idéal pour corriger un mauvais facteur de puissance dans une usine et son niveau d'excitation peut être ajusté en fonction des besoins. Ce type d'utilisation est parfois appelé marche en "compensateur synchrone".

Moteurs synchrones à rotor non excité ou à réluctance

Dans ce type de moteur, on utilise un rotor en fer dont la forme favorise des parcours fixes du flux magnétique (Figure 4-13). Leur gamme de puissance va des moteurs à puissance fractionnaire jusqu'à ceux de 30 HP environ.

dessin excité synchrone rotor non de moteur

Figure 4-13 : Moteur synchrone à rotor non excité

 

On emploie parfois des aimants permanents sur les rotors des moteurs de petite puissance.

Les moteurs à rotor à réluctance présentent un facteur de puissance peu élevé durant leur fonctionnement. Ils sont également plus encombrants physiquement que les moteurs avec excitation d'une puissance assignée similaire.

Moteurs synchrones monophasés

Toute configuration de stator monophasée permet de fabriquer un moteur synchrone à réluctance (Figure 4-14).

Le rotor consiste essentiellement en une cage d'écureuil dont certaines des barres ont été déplacées afin de favoriser des parcours particuliers du flux magnétique.

Au démarrage, le rotor présente un retard par rapport au champ magnétique tournant, comme c'est le cas dans les moteurs à induction.

Lorsque le moteur se rapproche de la vitesse synchrone, le couple de réluctance entraîne la synchronisation du rotor avec le champ tournant du stator.

Ce type de moteur convient bien pour des applications de faible puissance nécessitant des vitesses synchrones.

dessin montrant la conception de moteur à réluctance monophasé

Figure 4-14 : Moteur à réluctance monophasé

 

i. Moteur à hystérésis

Dans le moteur à hystérésis, le rotor consiste normalement en un cylindre d'acier lisse magnétiquement dur, sans enroulements ni encoches (Figure 4-15).

Les enroulements du stator sont habituellement du type à condensateur auxiliaire, dont la valeur est choisie de manière à assurer le plus près possible un fonctionnement en biphasé.

dessin montrant la conception de moteur d'hystérésis

Figure 4-15 : Moteur à hystérésis

 

La rémanence élevée du matériau du rotor entraîne un certain retard d'une fraction de rotation de son orientation magnétique par rapport au champ magnétique tournant.

L'interaction entre le champ tournant et la polarité magnétique du rotor soumet celui-ci à un couple constant de la vitesse nulle jusqu'à la vitesse synchrone.

Ce type de moteurs permet la synchronisation de charges à inertie élevée.

Le fonctionnement est généralement doux et silencieux en raison de la surface lisse du rotor.

Les moteurs à hystérésis servent en principe dans des applications de petite puissance, comme les horloges par exemple.

j. Moteurs universels

Les moteurs universels sont des moteurs bobinés de type série, dont les enroulements du rotor sont comparables à ceux des moteurs c.c. (Figure 4-16).

Le terme universel découle du fait qu'ils peuvent fonctionner indifféremment sous alimentation c.c. ou c.a.

Leur fonctionnement et leur construction ressemblent de près à ceux des moteurs c.c., leurs composantes étant cependant conçues pour un meilleur rendement lorsqu'ils sont alimentés en courant c.a. sous des fréquences allant jusqu'à la fréquence industrielle (voir Section 5 b).

Leur plage de vitesses de fonctionnement va normalement de 3 000 à 15 000 tr/min. Leur vitesse décroît à mesure que la charge augmente.

Ils se caractérisent par un rapport puissance-encombrement élevé.

Ils nécessitent davantage d'entretien par heure de fonctionnement que les autres types de moteurs en raison du montage balais/collecteur.

dessin montrant la conception de moteur universel

Figure 4-16 : Moteur universel

 

Pour les moteurs dont les balais sont accessibles (ordinairement porte-balais à fente de guidage avec bouchon fileté disposés de chaque côté du moteur), on doit contrôler de temps à autre l'état des balais pour s'assurer qu'il leur reste assez de matériau de contact. Lorsque l'extrémité du balai est proche du porte-balai ou de l'extrémité portant la tresse, on le remplacera par un modèle de même dimension et de même type. Si le balai est usé et que le porte-balais touche le collecteur, de nombreuses étincelles se produiront lorsque le moteur est en marche. Dans ce cas, arrêter le moteur immédiatement. Un endommagement permanent a pu se produire, mais l'installation de nouveaux balais peut remédier au problème.

Les utilisations courantes englobent les applications à faible facteur de marche comme les scies électriques, les perceuses, les aspirateurs et les tondeuses à gazon. Les puissances sont en général de l'ordre de 2 HP.

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