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2 – SYSTEMES TERMINAUX DE CONVERSION D’ENERGIE ELECTRIQUE
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2-2-3-6 Fonction Convertir l’énergie
Electrotechnique
Introduction :
La conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique est réalisée à l’aide
d’actionneurs appelés moteurs.
Selon le type d’application et le type de mouvement à transmettre, on utilisera soit un
moteur, soit un vérin. La part du moteur électrique est très importante dans le domaine
industriel (machines outils,…) mais aussi dans les applications domestiques (lave linge,…).
Un moteur pour quoi faire ???
ENERGIE ELECTRIQUE
Un moteur est toujours accouplé à une
charge.
Il entraîne la charge soit en rotation
(ventilateur, mandrin, poulie,…) soit, par une
mécanique adaptée, en translation (téléski,
pont roulant,…).
Accouplement
Machine
ENERGIE
MECANIQUE
Moteur
Quelles sont les caractéristiques des charges entraînées ?
Tout dépend de la charge. Les efforts nécessaires pour transmettre le mouvement ne sont
pas identiques, et peuvent être très variables d’une application à une autre.
Des familles types de charges peuvent néanmoins être identifiées :
La caractéristique du couple résistant (Tr) en fonction de la vitesse (Ω) traduit les efforts
nécessaires à l’entraînement de la charge.
Couple constant :
Tr (Nm)
90% des applications, levage,
bandes transporteuses
ventilateurs, pompes
centrifuges,…
90% des applications : engins de
levage, bandes transporteuses,…
Couple constant
Couple hyperbolique :
Enrouleur dérouleur,
machines outils
Couple quadratique :
Ventilateur, pompes
centrifuges
Tr (Nm)
Tr = Cte
Tr = k.Ω2
Ω (rd/s)
Tr (Nm)
Couple quadratique
Ω (rd/s)
Couple linéaire :
Vis d’Archimède
laminoir
Tr (Nm)
enrouleur-dérouleur,
machines outils,…
Tr =
vis d’archimède
k
Ω
Couple hyperbolique
Tr = k.Ω
Ω (rd/s)
Couple linéaire
Ω (rd/s)
Quel que soit le type de moteur utilisé pour entraîner la charge, il devra impérativement être choisi
pour répondre au besoin de la charge. Son couple moteur (Tu) devra être supérieur au couple
résistant de la charge (Tr), du moins, pendant la phase de démarrage.
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Quel type de moteur ?
MOTORISATIONS
Moteur à COURANT CONTINU
Moteur SYNCHRONE
Avantages :
Moteur triphasé alternatif
Moteur ASYNCHRONE
Moteur pas à pas
- Bonne régulation de vitesse
Moteur ASYNCHRONE
triphasé
Moteur ASYNCHRONE
monophasé
- Couple à l’arrêt
Avantages :
Avantages :
Avantages :
- vitesse constante
- vitesse fixe
- robuste et simple (moteur à cage)
- Cos phi = 1
- positionnement en boucle ouverte
(pas de capteur : codeur incrémental)
- standardisation (disponibilité et
prix)
Inconvénients :
- Collecteur et balai à entretenir
(maintenance)
- prix
Inconvénients :
- pas de couple au démarrage (sauf si
autopiloté en variation de vitesse)
Moteurs dérivés
- démarrage en asynchrone
Limites d’utilisations :
- faible puissance
- faible précision
Mode de
démarrage :
- à enroulement
auxiliaire et capacité pour
déphasage du flux
Utilisations :
Inconvénients :
- Electro-ménagé
- glissement/vitesse
- pas de vitesse proche de zéro
- Moteur rotor plat (Axem)
- Moteur série
- Moteur série universel (monophasé
perceuse)
La conversion de l’énergie s’effectue à 80% à l’aide de moteurs asynchrones triphasés grâce
à leur simplicité de construction, à leur robustesse et à leur facilité de démarrage.
1- Le moteur asynchrone triphasé
Le moteur asynchrone est le convertisseur électromécanique qui, historiquement, a été le
dernier construit. En effet, ce n’est qu’en 1888 que FERRARIS et TESLA ont réalisé le
premier moteur d’induction industriel. Le premier moteur à cage fut réalisé par DOLIVODOBROWOLSKI en 1889 et le moteur à double cage par BLONDEL en 1892. Quelques
années auparavant, GRAMME avait déjà construit le premier alternateur (1878) et la
première machine à courant continu (1869).
Machine de Jacobi 1834
Machine de Froment 1940
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Principe de fonctionnement.
Création d’un champ tournant en triphasé.
Si on alimente 3 bobines identiques, placées à 120 °, par une tension alternative triphasée :
-
-
Une aiguille aimantée, placée au centre, est entraînée
en rotation; il y a donc bien création d'un champ
tournant.
Un disque métallique en aluminium ou en cuivre est
entraîné dans le même sens que l'aiguille aimantée.
Si l'on inverse deux des trois fils de l'alimentation
triphasée, l'aiguille ou le disque, tourne en sens
inverse.
Justification : Les trois champs alternatifs produits par
les bobines alimentées en courant triphasé se composent
pour former le champ tournant.
Le champ magnétique tournant crée dans le circuit du rotor des courants induits ; ceux-ci, d'après
la loi de Lenz, s'opposent à la cause qui leur a donné naissance, et provoquent une force
magnétomotrice qui entraîne le rotor en rotation (cf. cours de Physique Appliquée).
1-1 Constitution générale d'un moteur asynchrone.
Quels que soient les constructeurs de machines tournantes, nous constatons une très
grande stabilité des techniques de construction. Par contre, les adaptations de moteurs à
différentes applications sont de plus en plus nombreuses : moteur-réducteur, moteur-frein,
moto-pompe, génératrice asynchrone, etc.
11
9
10
8
7
6
2
5
3
4
1
Rep.
1
2
3
4
7
Désignation
Flasque avant
Rotor (cage d’écureuil)
Bobinage du stator
Carcasse
Rep.
7
8
9
10
Désignation
Roulements
Flasque arrière
Ventilateur
Tiges d’assemblage
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6
Plaque signalétique
Boîtier de raccordement : plaque à bornes
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Capot protection ventilateur
On classe les différentes pièces rencontrées dans toute machine tournante selon les trois
grandes fonctions réalisées :
• Organes électriques :
- Circuit rotorique, en court-circuit ou bobiné,
- Circuit statorique bobiné,
- Plaque à bornes.
•
Organes magnétiques :
Circuits magnétiques statorique et rotorique.
•
Organes mécaniques :
Carcasse supportant les flasques, roulements, arbre, ventilateur, tiges de
montage et fixation du moteur.
Circuit magnétique.
Le circuit magnétique des machines à courant alternatif et des moteurs asynchrones en
particulier, doit canaliser les lignes de forces du champ tournant.
Conditions à remplir :
•
•
•
•
Avoir des pertes par hystérésis et courants de Foucault minimum.
Supporter les bobinages.
Comporter une partie fixe et une partie mobile.
Être refroidi convenablement.
Solutions communes au stator et au rotor :
•
•
Canalisation du flux par des tôles magnétiques placées dans le sens radial, en
forme d’anneaux pour le stator et en forme de disques pour le rotor.
Utilisation de tôles d’épaisseur 0,35 à 0,5 mm en acier au silicium, ayant des pertes
de 1,4 à 2,6 W/kg, pour diminuer les pertes par hystérésis et courants de Foucault.
En général, ces tôles sont isolées par oxydation ou par un vernis isolant pour les très
grosses machines.
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Les encoches de différentes formes permettent de loger les conducteurs du bobinage
électrique.
Le circuit magnétique statorique fixe est le siège du champ tournant qui agit sur le rotor.
Solutions particulières au stator :
•
Fixation en rotation et en translation.
•
Pour les gros moteurs, la carcasse peut être en acier moulé ou en tôle d’acier roulée
et soudée, pour les diamètres supérieurs à un mètre. Les tôles magnétiques sont
réalisées par secteurs et serrées entre elles par des rivets; elles sont centrées dans
des nervures et maintenues serrées par deux plateaux prenant appui sur des butées
soudées.
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Notions de bobinage :
En triphasé, le stator comporte trois enroulements indépendants pouvant être couplés
en étoile ou en triangle. Chacun de ces enroulements est composé de sections logées dans
les encoches du circuit magnétique.
•
Spire :
Une spire comprend un conducteur aller et un conducteur retour, soit deux
conducteurs actifs.
Faisceau :
Le faisceau est l’ensemble des conducteurs placés dans une encoche et parcouru
dans le même sens par le courant d’une phase.
Section :
Une section est formée de deux faisceaux reliés par les têtes de bobines. Elle est
caractérisée par son nombre de spires et son pas.
Pas d’une section :
C’est la distance entre deux lignes neutres consécutives : on l’appelle aussi pas
diamétral ou pas polaire.
Le nombre de pas réalisés détermine la vitesse de rotation du moteur :
f : fréquence du réseau en Hertz (Hz)
ns = f / p
ns : Vitesse de synchronisme imposée par le champ tournant
en tours par seconde (tr/s)
p : nombre de paires de pôles
Exemple :
Un stator ayant trois enroulements (moteur
triphasé) et une seule ligne neutre à 180° va
créer deux pôles (1 Nord + 1 Sud).
Le pas polaire est 2, le moteur possède 1 paire
de pôles, sa vitesse est de 3000 tr/mn.
Enroulement 2
Enroulement 1
N
Ligne neutre
N
N
Enroulement 3
S
S
Nombre de pôles
2
4
6
8
12
Ns (tr/mn)
3000
1500
1000
750
500
S
Représentation d’un instant t à un
instant t+2Π/3
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Solutions particulières au rotor :
•
Le rotor est la partie mobile de la machine; il est le siège de l’induction
électromagnétique variable.
•
Rotor en court-circuit (rotor à cage
d’écureuil) constitué par des barres de
cuivre ou d’aluminium, noyées dans le
circuit magnétique et mises en courtcircuit par deux anneaux.
•
Les encoches sont inclinées par rapport à l’axe longitudinal pour améliorer le
démarrage et obtenir un couple constant.
L’entrefer entre le rotor et le stator est le plus réduit possible; de l’ordre de 0,3 à 0,4
mm pour les puissances inférieures à 10 kW .
•
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Electrotechnique
La partie mécanique.
Son rôle essentiel est d’assurer :
•
•
•
•
la position relative du stator et du rotor,
la transmission de l’énergie mécanique,
la protection des parties électriques et magnétiques,
la fixation.
Exemple de construction :
Fonctions assurées par les pièces :
•
•
•
•
•
Carcasse : elle sert de support à l’ensemble des pièces du moteur, en particulier, elle
renferme le stator. Elle est caractérisée par la hauteur d’axe.
Arbre et rotor : ils servent à transmettre le couple moteur.
Paliers : ils assurent le guidage en rotation et limitent le déplacement axial.
Flasques : ils servent à positionner les paliers par rapport à la carcasse et protègent
les organes internes du moteur.
Ventilateur : il facilite le refroidissement du moteur.
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Fixations et hauteurs d’axes :
Il existe deux familles de fixations : à patte ou à flasque-bride. Les différents cas sont
normalisés en fonction de la position du moteur.
•
Moteurs horizontaux :
•
Moteurs verticaux :
Les hauteurs d’axes sont normalisées :
56 – 63 – 71 – 80 – 90 – 100 – 112 – 132 – 160 – 180 – 200 – 225 – 250 – 280 – 315 - 355.
1-2 Environnement – désignation.
Type de construction.
Les moteurs asynchrones sont classés d’après les indices de protection. On rencontre
principalement les indices suivants :
• lP23 : moteur protégé,
• IP44 : moteur fermé,
• lP55 : moteur étanche.
IP 23
IP 55
La protection contre les chocs mécaniques correspond à l’indice lK08 (norme EN 50102).
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Echauffement – classes d’isolation.
Les échauffements tolérés en fonction des classes d’isolation sont indiqués dans le tableau
ci-dessous.
Ces échauffements sont donnés pour une température ambiante de 40 °C et
définis par la norme NF C 51.111.
Protection interne.
On réalise la protection contre les échauffements anormaux des bobinages en plaçant au
cœur de ceux-ci une sonde de température qui peut être constituée soit par une thermistance, soit par un détecteur de type « ipsotherme » (lame bimétallique déformable).
Désignation du moteur asynchrone.
•
Type de construction :
- Fermé : lP44.
- Étanche : IP55.
- Chocs mécaniques lK08.
•
Forme de construction :
- A pattes.
- Flasque-bride, etc.
•
Caractéristiques :
- Tension.
- Fréquence.
- Nombre de phases.
•
Caractéristiques mécaniques :
- Puissance.
- Vitesse.
•
Spécifications particulières :
- Bout d’arbre ou fixation spéciale,
- Ambiance particulière (température, humidité, altitude, pression).
Exemple :
- Moteur asynchrone à cage étanche (lP55 lK08),
- Fixation à pattes,
- Triphasé 50 Hz - 230/400 V,
- 1500 tr/min - 2 kW.
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1-3 Relations d’électrotechnique.
Le moteur asynchrone est une machine transformant l'énergie électrique apportée par le
courant alternatif monophasé ou triphasé en énergie mécanique. Il est caractérisé par
des grandeurs d'entrée qui sont électriques et par des grandeurs de sortie qui sont
mécaniques.
1485
132
1485
132
1485
132
Tu
Les Grandeurs de Sorties :
Les grandeurs de sortie sont mécaniques, un moteur est choisi, en
premier lieu, pour ses caractéristiques mécaniques.
Effectivement, son couple et sa vitesse devront être adaptés aux
caractéristiques de la charge à entraîner.
Les grandeurs de sortie intéressent avant tout le mécanicien qui aura à
dimensionner sa machine…en fonction de la charge à entraîner.
La puissance utile (puissance mécanique) :
C’est la puissance récupérée en bout d’arbre. C’est aussi celle qui est indiquée sur la
plaque signalétique en Watts.
La vitesse :
C’est celle indiquée sur la plaque signalétique en tr/mn, mesurée lorsque le moteur est
en fonctionnement en charge. Elle n’est pas exactement identique à celle imposée par le
champ tournant, la différence est due au glissement du rotor : g = (ns – n) /ns.
En général, la vitesse du moteur est adaptée à celle de la charge par un réducteur.
La vitesse peut également s’exprimer en radians par seconde (rd/s) ;
Ω = 2 x Π x N / 60
ou
Ω=2xΠxn
Ω : vitesse angulaire en radians par seconde (rd/s).
N : vitesse de rotation en tours par minute (tr/mn)
n : vitesse de rotation en tours par seconde (tr/s)
Expression du couple utile en bout d’arbre :
Pu : puissance en Watts (W).
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Tu = Pu / Ω
Tu : couple moteur en Newton mètre (N.m).
Ω : vitesse angulaire en radians par seconde (rd/s).
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Les Grandeurs d’ Entrée :
Les grandeurs d’entrée sont électriques.
Elles vont, elles, intéresser l’électricien qui devra dimensionner son
installation électrique en fonction de la puissance absorbée par le moteur.
La puissance absorbée :
La puissance absorbée sur le réseau, exprimée en Watts, détermine l’intensité du
courant.
Rappel : l’expression de la puissance absorbée par une charge inductive (bobine), en
monophasé, s’écrit de la façon suivante :
P = V x I x cosϕ
ϕ
I
inductance
ϕ : déphasage courant – tension
V
Un moteur asynchrone triphasé possède 3 enroulements (bobines) ; sa puissance
absorbée est donc équivalente à la somme de celles absorbées par trois inductances
alimentées en monophasé :
Pa : Puissance électrique absorbée en Watts (W)
Pa = 3 x V x I x cosϕ
ϕ
V : tension d’alimentation simple entre phase et neutre
en Volts (V)
I : courant absorbé en Ampères (A)
ou
ϕ : déphasage courant – tension
Pa = √3 x U x I x cosϕ
ϕ
U : tension d’alimentation composée entre phases en
Volts (V)
Remarque : On observe entre la puissance
absorbée et la puissance utile une différence de
quelques pour-cent, due aux pertes internes au
moteur (pertes joules, pertes par courant de
Foucault,…), cf. cours de Physique Appliquée….
P absorbée
P utile
pertes
Pertes = Pa – Pu
Les pertes sont généralement exprimées sous forme de rendement (η) :
η = Pu x 100 / Pa
η : rendement de la machine en pour-cent (%)
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Caractéristiques électromécaniques :
Intensité : La surintensité au moment du démarrage peut être de 4 à 8 fois l’intensité nominale :
Id = 4 à 8 In
Il en résulte une pointe d’intensité pouvant être très importante qui conditionnera le choix
dans le dimensionnement des installations électriques (fusibles de type aM plutôt que
gG).
Couple : Le couple du moteur (Tm ou Tu) est égal à la force multipliée par le levier :
Tm = F x r
Au moment du démarrage, le couple moteur est, en moyenne, de 1,5 à 2 fois le
couple nominal :
Td = 1,5 à 2 Tn
Point de fonctionnement :
Le point de fonctionnement correspond au point à vitesse stabilisée soit lorsque Tm = Tr.
On remarque que malgré la présence d’un point de fonctionnement pour Tr1 et Tr2 la machine
asynchrone ne pourra pas entraîner la charge ayant le couple résistant Tr2 car celui-ci est
supérieur au couple moteur pendant le démarrage.
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1-4 Couplage des moteurs.
Plaque à bornes
La boîte de raccordement (ou plaque à bornes) permet d’effectuer, à
l’aide de barrettes, le couplage des enroulements, par six bornes
repérées U1, V1, W1 et U2, V2, W2. Ces moteurs sont bitension selon
le couplage étoile (Y) ou triangle (∆) des enroulements.
U1
V1
W1
W2
U2
V2
Emplacement des enroulements
Couplage Etoile (Y)
L1
L2
U1
V1
L3
U1
W1
V1
V
Dans le cas d’un couplage
étoile, chaque enroulement
a, à ses bornes une tension
simple V = U / √3.
V2
U2
W2
W2
U2
V2
Plaque à bornes
W1
U
L1
L3
L2
Couplage Triangle (∆)
L1
L2
U
L3
L3
L1
L2
U1
W2
U1
V1
W1
U
W1
W2
U2
V2
U2
V1
V2
Plaque à bornes
Dans le cas d’un moteur 3 bornes, le couplage est déjà réalisé :
Plaque à bornes
U1
V1
W1
400 V / Y
U
Dans le cas d’un couplage
triangle, chaque
enroulement a, à ses bornes
une tension composée
(entre phases) U.
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2-2-3-6 Fonction Convertir l’énergie
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1-5 Démarrage des moteurs asynchrones triphasés
1-5-1 démarrage direct
C'est le mode de démarrage le plus simple dans lequel le moteur
est directement couplé sur le réseau. Le moteur démarre selon
ses caractéristiques naturelles, Id = 4 à 8 fois In, Td = 1,5 à 2
fois Tn, (cf. caractéristiques électromécaniques, page 13)
Au moment de la mise sous tension, le courant induit dans le
rotor est important. Il en résulte une pointe de courant
importante sur le réseau.
Le couple de démarrage est important et permet une
accélération vive.
C’est par soucis de diminuer la pointe d’intensité au démarrage que différents
procédés sont mis en œuvre, tels que le démarrage étoile puis triangle, le démarrage
statorique et d’autres.
1-5-2 démarrage étoile-triangle
Ce mode de démarrage ne peut être utilisé qu'avec
un moteur sur lequel les deux extrémités de chacun
des trois enroulements statoriques sont ramenées
sur la plaque à bornes (6 bornes).
Par ailleurs, le bobinage doit être réalisé de telle
sorte que le couplage triangle corresponde à la
tension du réseau : par exemple, pour un réseau
triphasé 400 V, il faut un moteur bobiné en 400 V
triangle et 690 V étoile.
Le principe consiste à démarrer le moteur en
couplant les enroulements en étoile sous la tension
réseau (1er temps), ce qui revient à diviser la
tension nominale du moteur en étoile par √3 et
le courant par 3 !!!.
Dans un deuxième temps, le moteur est couplé en
triangle et fonctionne sous ses caractéristiques
nominales. (dans l'exemple ci-dessus, la tension
réseau 400 V = 690 / √3).
L1
L2
U1
V1
W2
U2
L3
er
1 temps
couplage étoile
W1
V2
ème
L1
L2
U1
V1
W2
U2
L3
W1
V2
2
temps
couplage triangle
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2-2-3-6 Fonction Convertir l’énergie
Lors du démarrage en étoile, la pointe de courant de
démarrage est divisée par 3
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Tm
Tn
Id = 1,5 à 2,6 In
En effet, un moteur 400V / 690 V couplé en étoile sous sa
tension nominale 690 V absorbe un courant √3 fois plus
faible qu'en couplage triangle sous 400 V. Le couplage
étoile étant effectué sous 400 V, le courant est divisé une
nouvelle fois par √3 donc au total par 3.
Le couple de démarrage étant proportionnel au carré de
la tension d'alimentation, est lui aussi divisé par 3
Td = 0,2 à 0,5 Tn
La vitesse du moteur se stabilise quand les couples moteur et résistant s'équilibrent,
généralement entre 75 et 85 % de la vitesse nominale. Les enroulements sont alors couplés
en triangle et le moteur rejoint ses caractéristiques naturelles. Le passage du couplage étoile
au couplage triangle est commandé par une temporisation. La fermeture du contacteur
triangle s'effectue avec un retard de 30 à 50 millisecondes après l'ouverture du contacteur
étoile, ce qui évite un court-circuit entre phases, les deux contacteurs ne pouvant être fermés
simultanément.
Le courant qui traverse les enroulements est interrompu à l'ouverture du contacteur étoile. Il
se rétablit à la fermeture du contacteur triangle. Ce passage en triangle s'accompagne d'une
pointe de courant transitoire très brève mais très importante, due à la fcém du moteur.
Du fait du faible couple obtenu par ce mode de démarrage, l’alimentation en étoile ne peut
convenir qu’aux machines ayant un faible couple résistant, ou qui démarrent à vide.
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1-5-3 Démarrage électronique
Fonction
E
Ordres
Marche/Arrêt
E
Energie
électrique
DISTRIBUER
PROTEGER
Energie élec modulée
E
A3.1
Canalisation élect +
Protection
MODULER
L’ENERGIE
A3.2
Démarreur
A3 - GERER L’ENERGIE
E
CONVERTIR
L’ENERGIE
Energie Méca
objectif
- Diminuer le courant de démarrage (≈7In)
pouvant conduire à surdimensionner la
canalisation électrique ou provoquer le
déclenchement intempestif des protections
contre les surintensités ;
- Diminuer le couple de démarrage (≈2Tn)
pouvant provoquer des à coups de couple et
conduire à surdimensionner toute la structure
mécanique.
A3.3
Moteur Asynchrone
Constitution :
Le démarreur progressif est constitué d'un
gradateur à angle de phase (module de
puissance) piloté par le module de contrôle.
Principe :
La variation de la tension d'alimentation, à fréquence fixe, permet d'obtenir :
- Une diminution du courant selon la loi d'Ohm (I = V/Z avec Z impédance statorique qui
évolue avec le glissement) ;
2
U
- Une diminution du couple qui dépend du carré de la tension (TMAX= K   ).
f 
Tm
II faut cependant veiller à obtenir un couple moteur
(Tm) supérieur au couple résistant (Tr) pour pouvoir
accélérer :
Tr
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Fonctionnement :
Tout au long du démarrage, le gradateur fournit une tension qui augmente progressivement
de sorte que le courant ne dépasse pas une valeur fixée par l'utilisateur.
L'évolution de la tension résulte d'angles de retard à l'amorçage fixés par le module de
contrôle qui compare le courant mesuré à la limitation fixée.
Td
Tr
Td1
Td : Couple du moteur en démarrage direct
Id : Courant du moteur en démarrage direct
Td1 : Couple limité par le démarreur progressif
Id1 : Courant du moteur limité par le démarreur
Progressif
Tr : couple résistant
L'action combinée de la rampe et de la limitation de courant optimise les conditions de
démarrage :
limitation du courant
démarrage progressif, en douceur, sans à-coups.
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1-6 Freinage des moteurs asynchrones triphasés
Dans un grand nombre d'applications, l'arrêt du moteur est obtenu simplement par
décélération naturelle. Le temps de décélération dépend alors uniquement de l'inertie de la
machine entraînée. Mais il est souvent nécessaire de réduire ce temps. Le freinage
électrique apporte dans ce cas une solution efficace et simple. Par rapport aux freinages
mécanique et hydraulique, il offre l'avantage d'être régulier et de ne mettre en oeuvre aucune
pièce d'usure.
1-6-1 Les freins électromagnétiques
Le frein à commande de repos
Le frein à commande de travail
L'armature est la pièce métallique attirée par
l'électro-aimant.
Lors de l'alimentation de l'électro-aimant,
l'armature, attirée, comprime le ressort, il y a
serrage du frein.
Lors de l'alimentation du moteur-frein,
l'électroaimant attire l'armature, comprime le
ressort et desserre le frein, le moteur démarre
en même temps.
En alimentant plus ou moins l'électro-aimant, on
freine plus ou moins fort. On obtient ainsi un
ralentissement contrôlé du moteur.
A la coupure de l'alimentation, l'électro-aimant
libère l'armature et donc le ressort qui serre
alors la friction et assure le freinage.
C'est le fonctionnement d'un frein à
commande de repos.
Quand on commande le repos du moteur-frein
(coupure de l'alimentation), il y a freinage. Le
freinage est obtenu par la poussée du ressort,
donc sans apport d'énergie extérieure. C'est
un freinage en toute sécurité. C'est le mode
de commande le plus utilisé.
A la coupure de l'alimentation, le ressort est
libéré et desserre le frein.
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Alimentation incorporée :
C'est l'alimentation standard des moteurs-freins.
L'alimentation du frein est faite à partir de celle du
moteur. L'ensemble complet moteur-frein se
commande comme un moteur asynchrone standard.
Alimentation séparée :
Le frein et le moteur sont alimentés séparément.
C'est l'alimentation des moteurs-freins ≥ 160 de
hauteur d'axe.
Ce mode d'alimentation permet d'utiliser le frein
dans des cycles de fonctionnement où il n'intervient
pas systématiquement ; il est obligatoire pour les
moteurs deux vitesses, démarrage étoile-triangle,
desserrage électrique ou anticipé.
Représentations symboliques :
U1
A1
V1
W1
A2
U1
V1
W1
M
3~
M
3~
frein desserré
Moteur frein à alimentation séparée
(frein serré)
Moteur frein à alimentation
incorporée (frein serré)
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1-6-2 Le freinage par contre courant
Le principe consiste, après avoir isolé le moteur du réseau alors qu'il tourne encore, à le
reconnecter sur le réseau en sens inverse. C'est un mode de freinage très efficace qui doit
être arrêté suffisamment tôt pour éviter que le moteur ne reparte en sens inverse.
Au moment du freinage, les pointes de
courant et de couple sont nettement
supérieures à celles produites lors du
démarrage. Afin d'obtenir un freinage
sans brutalité, il est souvent inséré lors du
couplage en contre-courant, une
résistance en série avec chaque phase
du stator. Le couple et le courant sont
alors réduits.
Le couple de freinage moyen est, en général, supérieur au couple de démarrage pour des
moteurs asynchrones à cage.
Avant d'adopter ce système, il faut absolument s'assurer que le moteur est capable de
supporter des freinages en contre courant avec le service envisagé. En effet, outre les
contraintes mécaniques, ce procédé impose des contraintes thermiques importantes au
rotor, l'énergie correspondant à chaque freinage (énergie de glissement prise au réseau et
énergie cinétique) étant dissipée dans la cage. Les sollicitations thermiques, pendant le
freinage, sont 3 fois plus importantes que lors d’une mise en vitesse.
Les inconvénients du freinage par contre-courant d'un moteur à cage sont tels que ce
procédé n'est utilisé que sur certaines applications avec des moteurs de faible puissance.
1-6-3 Freinage par injection de courant redressé
Le procédé consiste à envoyer du courant redressé dans le stator préalablement séparé du
réseau. Ce courant redressé crée un flux fixe dans l'espace. Pour que la valeur de ce flux
corresponde à un freinage convenable, le courant doit être environ 1,3 fois le courant
nominal.
Le mouvement du rotor représente un glissement par rapport à un champ fixe dans l'espace
(alors que, dans le système à contre-courant, le champ tourne en sens inverse).
Les caractéristiques obtenues avec un système de freinage par injection de courant redressé
présentent, par rapport à celles résultant d'un système à contre-courant, des différences
importantes :
- l'énergie dissipée dans le rotor est moins importante. Il s'agit uniquement de l'équivalent de
l'énergie mécanique communiquée par les masses en mouvement. La seule énergie prise au
réseau est l'excitation du stator,
- si la charge n'est pas entraînante, le moteur ne redémarre pas en sens inverse,
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- si la charge est entraînante, le système fournit un freinage permanent qui retient cette
charge à faible vitesse. La caractéristique est beaucoup plus stable qu'en contre-courant.
Afin d'éviter les échauffements inutiles, il faut prévoir un dispositif coupant le courant dans le
stator une fois le freinage réalisé.
Ce procédé de freinage est présent sur les variateurs et démarreurs électroniques.
Schéma de puissance :
1
3
5
2
4
6
6
4
F1
2
1
3
5
Q1
KM1
KM2
1
3
5
2
4
6
F2
A
T1
~
-
U
V
M1
3~
W
4
F3
2
1
3
KM3
V1
~
~
+
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1-7 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones triphasés
Avec la venue des variateurs de vitesse, les moteurs bi ou tri vitesses tendent, petit à
petit à disparaître.
Les plus couramment utilisés sont les moteurs à enroulements statoriques séparés et les
moteurs à couplage de pôles de type Dalhander.
1-7-1 Les moteurs à enroulements séparés :
Ce type de moteur comporte deux enroulements
statoriques indépendants permettant d’obtenir deux
vitesses dans un rapport quelconque.
Pour obtenir la petite vitesse, il suffit de connecter
le réseau aux bornes 1U1, 1V1 et 1W1. Pour
obtenir la grande vitesse, il suffit de connecter le
réseau aux bornes 2U1, 2V1, 2W1. Si on respecte
l’ordre des phases, on conserve le même sens de
rotation.
1-7-1 Les moteurs Dalhander:
Ce genre de moteur ne permet qu’un rapport de vitesses
de 2 (2 et 4 pôles, 4 et 8 pôles, 6 et 12 pôles,…)
En fonction de leurs caractéristiques, les moteurs peuvent
être à puissance constante, couple constant ou couple et
puissance variables.
Le plus souvent, le démarrage s'effectue directement,
aussi bien en grande qu'en petite vitesse. Dans certains
cas, si les conditions d'exploitation l'exigent et si le moteur
le permet, le dispositif de démarrage réalise
automatiquement le passage temporaire en petite vitesse
avant d'enclencher la grande vitesse ou avant l'arrêt.
Généralement, ces moteurs ont un rendement peu élevé
et un facteur de puissance assez faible.
PV
1U1
1V1
1W1
M
3~
2U1
2 V1
GV
2W1
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Exemple de raccordement pour un branchement à couple constant :
Pour l'une des vitesses, le réseau est connecté sur les trois bornes correspondantes;
pour la seconde, celles-ci sont reliées entre elles, le réseau étant branché sur les trois
autres bornes.
Petite vitesse (∆)
Grande vitesse (YY)
L1
L1
L2
L2
L3
L3
2- Le moteur asynchrone monophasé
Ces moteurs de faibles puissances, alimentés sur le réseau domestique en monophasé 230
V (ou 400 V) sont très employés dans les équipements électroménagers (lave-linge, lavevaisselle, réfrigérateur...).
2-1 Principe de fonctionnement :
On sait que le champ magnétique, produit par une bobine alimentée en courant monophasé
sinusoïdal, équivaut à 2 champs tournants en sens inverse l'un de l'autre.
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Chaque champ tournant crée un couple moteur et le
couple résultant est nul au démarrage.
D'où la nécessité de concevoir un dispositif de
lancement tel que le couple moteur ne soit plus nul
au démarrage.
Si aucun dispositif supplémentaire n'est mis en
oeuvre, un moteur asynchrone monophasé doit être
lancé au démarrage. Après le lancement, la rotation
du rotor privilégie le champ résultant qui tourne dans
le même sens que lui et affaiblit l'autre, aussi les performances d'un moteur asynchrone
monophasé, bien qu'inférieures à celles d'un moteur triphasé, sont-elles très acceptables.
Pour rendre le démarrage automatique, le moteur
asynchrone monophasé est souvent pourvu d'un
enroulement auxiliaire (on reconnaît celui-ci au fait que
sa résistance est supérieure à celle de l'enroulement
principal). Mis en série avec un condensateur, cet
enroulement est donc parcouru par un courant déphasé
par rapport à celui qui parcourt l'enroulement principal.
Cela suffit pour créer un couple de démarrage. Après le
démarrage, un coupleur centrifuge permet parfois
d'éliminer ce deuxième circuit afin d'économiser le
condensateur.
2-2 Constitution :
15
12
11
14
7
8
3
10
1
9
2
13
4
5
6
2 – SYSTEMES TERMINAUX DE CONVERSION D’ENERGIE ELECTRIQUE
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Rep.
1
2
3
4
5
6
7
8
Désignation
Stator bobiné
Rotor
Flasque avant
Flasque arrière
Ventilateur
Capot protection ventilateur
Plaque à bornes
Tiges d’assemblage
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Rep.
9
10
11
12
13
14
15
Désignation
Plaque signalétique
Roulement avant
Roulement arrière
Partie fixe coupleur centrifuge
Partie tournante coupleur centrifuge
Condensateur de démarrage
Condensateur permanent
3- Le moteur synchrone monophasé (moteur Brushless)
Ce type de moteur à courant alternatif, a l'avantage de ne pas avoir de balais, donc pas
d'usure de contact.
I
~
Le rotor est constitué d'un aimant permanent alors que le stator est constitué d'enroulement
en cuivre.
A un instant t, le courant créé, à travers les enroulements un flux et donc une face
Nord et une face Sud. Les deux pôles Nord ainsi que les deux pôles Sud se
repoussent alors qu’un pôle Nord avec un pôle Sud s’attirent. Le rotor bouge.
A l’instant t+T/2, le courant s’inverse et les pôles créés sur le circuit magnétique
s’inversent. Les deux pôles Nord ainsi que les deux pôles Sud se repoussent alors
qu’un pôle Nord avec un pôle Sud s’attirent, le rotor bouge à nouveau.
Le moteur brushless est utilisé pour de grandes vitesses ou si l'emplacement du moteur est
difficile d'accès. Son couple reste cependant peu élevé.
Sa vitesse de rotation est en synchronisme avec la vitesse du champ tournant :
n : vitesse en tours / seconde (tr/s)
n =f/p
f : fréquence du réseau en Hertz (Hz)
p : nombre de paires de pôles
Il n’y a pas de glissement, sauf si le couple demandé est trop important…
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4- Le moteur asynchrone monophasé à spire de Frager
Le rotor est massique ou constitué de tôles feuilletées. Une spire de Frager est insérée dans
le circuit magnétique, provoquant ainsi un déphasage de flux entre l’extérieur et l’intérieur de
la spire
Le flux résultant des deux flux n’est donc plus longitudinal et provoque la rotation du rotor
avec un glissement.
Le sens de rotation de ce type de moteur est imposé par le champ résultant.
5- Le moteur universel
Un moteur est dit universel s'il peut être alimenté indifféremment en courant continu ou
en courant alternatif monophasé. Ces moteurs sont employés dans toutes les perceuses
portatives, les aspirateurs, les robots ménagers...
Lorsqu'on alimente un moteur à excitation série avec un
courant alternatif monophasé, le courant s'inverse à chaque
demi-alternance, mais le sens de rotation reste le même.
Le moteur universel est un moteur série, utilisé en courant alternatif, ce qui implique une
constitution adaptée à l'induction variable
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Electrotechnique
4
5
1
6
3
Rep.
1
2
3
4
5
6
2
6
Désignation
Stator bobiné
Rotor bobiné
Collecteur
Balais et porte-balais
Ventilateur
Roulements
Le rotor comporte l’arbre, le collecteur, un bobinage logé dans les encoches du circuit
magnétique feuilleté. Il est identique à celui d’un moteur à courant continu.
Caractéristiques :
Les caractéristiques d'un moteur universel sont les suivantes :
- un couple de démarrage et un courant d'appel assez élevés;
- une vitesse qui varie beaucoup avec la charge, elle peut atteindre, cependant, 30 000
tr/mn.
Pour inverser le sens de rotation, il faut inverser soit l'induit (bobinage rotorique), soit
l'inducteur (bobinage statorique).
Utilisation :
Ces moteurs sont utilisés surtout en petite puissance (p < 1000 W) et en courant alternatif,
pour l'électroménager et l'outillage électro-portatif. Une alimentation à tension variable
obtenue à l'aide d'un triac permet une variation de vitesse du moteur.