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moteurs electriques

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Moteurs électriques et autres saletés...:-)
Le but premier de cet article était de répondre aux bricoleurs en mal
de solutions pour alimenter des moteurs tri en 230 volts monophasé, mais
il fallait aussi parler des moteurs monophasés.
Cette page a donc pour objectif de présenter les divers types de
moteurs monophasés et d'essayer de tordre le cou a cette lancinante
question : vouloir faire tourner des moteurs tri en mono ! Oui ça marche.
Avertissement : Il s'agit juste de donner les grands principes, pas des
recettes.
Auteurs :
Robert GIRARD et Olivier ROUGON
1 - Historique
2 - Les machines électriques : champs tournants, bobinages
2.1.1 Les moteurs monophasés
2.1.1.1 Moteurs à induction - Généralités
2.1.1.2 Moteurs à induction à condensateurs
2.1.1.3 Moteurs à induction sans condensateur
2.1.1.4 Divers
2.1.2 Les différents artifices de démarrage
3- Fonctionnement des moteurs triphasés en monophasé
3.1.1 Avec des condensateurs
3.1.2 Avec un moteur pilote
3.2 Avec un convertisseur de fréquence
4 - Bibliographie technique
5 - Glossaire
6 - Variation de vitesse
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1 HISTORIQUE
Alessandro Volta (1745-1827) invente la "pile"....
Le Danois Hans Christian Oersted (1777-1851) remarque qu'un courant électrique
provoque la déviation d'une aiguille aimantée: c'est la naissance de
l'électromagnétisme. Dix ans plus tard André Marie Ampère (1775-1836), le
"paresseux" édite son ouvrage "La théorie des phénomènes électrodynamiques
déduite de l'expérience>".
Peter Barlow (1776-1862) réinvente la roue :)
Joseph Henry (1797-1878) montre en 1831 qu'un électroaimant change sa
polarité par un simple renversement du courant. Et le 17 Octobre 1831 Faraday
montre qu'un aimant permanent peut générer du courant, l'expérience inverse de
Oersted.
Selon les suggestions d'A.M. Ampère, Nicolas-Constant Pixii (1776-1861) construit
une première machine avec un aimant en fer à cheval qui remplace la pile de Volta.
Mais le courant obtenu change continuellement de sens ! c'est du courant alternatif.
Pixii toujours sous les conseils d'Ampère met au point un commutateur pour
"redresser" le courant, Joseph Saxton et Joseph Clark (1822-1892) améliorent le
dispositif.
Sir Charles Wheatstone (1802-1875) construit un dispositif où 5 induits décalés
de 36° tournent entre les pôles de 6 aimants, les frotteurs en série débitent un
courant à peu près continu.
La réversibilité n'était pas encore dans l'air du temps, les théories se contredisent :
Henry, Ritchie, Wiliam Sturgeon, T. Edmonson, Francis Watkins s'affrontent.
Jacobi et Friedrich Emil Lenz (1804-1865) montrent la proportionnalité entre
l'aimantation et l'intensité du courant. C'est ainsi que fut construit le premier moteur
électrique qui propulsa 12 personnes sur la Neva pendant trois heures. l'électricité
pouvait être utilisée comme force motrice ! mais elle nécessitait 128 éléments d'un
pile de Groove qui empoisonnait les voyageurs par ces exhalaisons . ( et le diesel se
développa, comme quoi !)
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2 - MACHINES ÉLECTRIQUES
Lorsque qu'un bobinage est soumis a un courant alternatif, il crée un champ
magnétique alternatif, Leblanc à démontré que ce champ variable peut se
décomposer en deux champs fixes , tournant en sens inverse à la fréquence w ,
fréquence des courants d'alimentation de la bobine. Les parties tournantes (rotor)
ayant un grande inertie, elle ne peuvent suivre aucun des champs : le moteur
monophasé n'a aucun couple de démarrage (CD). Lorsqu'il est "lancé" dans un sens le
moteur <monophasé> "accroche" un des champs, mais l'autre champs tourne a une
vitesse double vis à vis du rotor occasionnant des couples résistants et des pertes fer
très importantes . Tout l'art de conception des moteurs monophasés réside dans le
fait de supprimer ou d'amoindrir l'un de ces champs. Ce qui est naturellement fait
dans les moteurs triphasés.
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2.1.1 MOTEURS MONOPHASÉS
C'est volontairement que nous laisserons de coté pour le moment : moteur à bagues
de déphasage (ou à pôles fendus, ou à spires de Frager), moteur à répulsion et
moteur universel.
2.1.1.1 Moteurs monophasés à induction : Généralités
Rappel :
Nsyn (tr/min) = ( 60.f ) / p
N (tr/min) = [ ( 60.f ) / p ] (1-g)
Ces moteurs monophasés sont composés d'un stator portant un bobinage à p paires
de pôles et d'un rotor à cage d'écureuil en court circuit.
A l'arrêt le rotor est sollicité par deux champs tournant en sens inverse. Ce moteur ne
démarre donc pas spontanément.
En lançant le rotor (à la main par exemple) il peut alors démarrer indifféremment
dans un sens ou dans l'autre. On ajoute une second bobinage décalé de 90° dans les
encoches restantes : la phase de démarrage ou phase auxiliaire alimentée à travers
un artifice de déphasage, condensateur, résistance, ou inductance.
Apparaissent alors deux couples moteur dus aux deux champs tournants : le couple
du champ qui tourne dans le même sens que le rotor est le plus grand et tend à
augmenter avec la vitesse. Le second couple, antagoniste, est presque nul.
Le champ inverse induit un courant à 100 Hz dans le rotor qui produit une vibration,
et des pertes au rotor, et un bruit qui peuvent être gênants dans certains cas. Le
moteur monophasé a moins de glissement que le moteur triphasé mais il a un plus
mauvais facteur de puissance. Sous trop forte charge il peut décrocher : à l'arrêt
l'intensité devient alors très forte et le moteur peut griller si il n'est pas protégé par
un disjoncteur.
Note à l'attention des bricoleurs
On n'insistera jamais assez sur le fait que lorsqu'on récupère un moteur mono à la
casse (MAL par ex) il ne faut pas oublier les condensateurs et le relais de démarrage
si il y a, qui la plupart du temps sont cachés quelque part dans le châssis.
Avoir le schéma serait un luxe apprécié dans certaines usines à gaz de moteur de
MAL... Bon de toutes façons, je vous parle comme un fossile parce que les lave linge
de nos jours sont quasi tous équipés de moteurs à collecteur.
Comme il a été dit plus haut, cet article est rédigé dans le but d'éclairer si possible en
donnant les généralités, pas possible de donner des recettes tant il y a de modèles et
de marques de moteurs, chaque constructeur ayant ses petites manies, et quand on
touche aux moteurs du gros électroménager il serait carrément impossible d'être
exhaustif. Quoique de nos jour, à l'instar de l'automobile et de l'informatique, le gros
électroménager ressemble plus à du meccano et toutes les marques utilisent grosso
modo les mêmes composants et piochent dans les mêmes catalogues ! Adieu la
diversité !
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2.1.1.2 Moteurs à induction à condensateurs
Moteur biphasé à condensateur permanent
Son bobinage comporte 2 phases égales occupant chacune la moitié des encoches,
l'inversion du sens s'obtient par simple permutation de l'alimentation aux bornes des
fils allant au condensateur permanent, avec de l'autre coté un commun. Les
puissances sont égales dans les deux sens de rotation. Utilisé pour les très petites
puissances.
Généralement utilisé pour des asservissements de vannes, on "dope" alors sa
puissance... mais pour un service intermittent.
Moteur à condensateur permanent et à bobinage dit « 1/3 - 2/3 »
Son bobinage comprend une phase principale qui occupe 2/3 des encoches, et
la phase auxiliaire occupant le tiers restant. Le nombre de spires de la phase
auxiliaire est en général le double de celui de la phase principale, sa section
étant la moitié de celle de la phase de marche. La phase de marche est repérée
U1-U2, la phase auxiliaire Z1-Z2. L'inversion de sens se faisant par croisement
des connexions d'une phase par rapport à l'autre - en croisant Z1-Z2 ou U1-U2
(*) . La phase auxiliaire étant en circuit en permanence, en série avec un
condensateur dit « condensateur permanent ».
Le condensateur est un modèle à film de polypropylène métallisé -auto
cicatrisant, ou parfois au papier imprégné d'huile . Valeur de la capacité : des
dizaines de µF. Ces moteurs ont faible couple de démarrage : CD/CN compris
entre 0,3 - 0,8 *. C'est le classique des moteurs bas de gamme de grande
surface... (* ce qu'on ne vous dit pas). On doit donc réserver son utilisation à
des usages où l'on peut tolérer un faible couple de démarrage : pompes
centrifuges, machines démarrant à vide, etc.
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Schéma à condensateur permanent.
Fonctionnement :
Le condensateur produit le déphasage nécessaire à l'alimentation de la phase
auxiliaire, les deux circuits [phase principale] - [phase auxiliaire +
condensateur] restent alimentés en permanence.
Caractéristiques :
(* Le repérage des fils, capital, est parfois fait par des fils de différentes
couleurs ou des numéros, dans ce cas le seul recours sera d'avoir le schéma de
son moteur, ou alors de se servir d'un ohmmètre et avoir une idée de ce qu'on
doit trouver...Ce qui n'est parfois pas si évident, même pour les
professionnels...)
Moteur à condensateur de démarrage (et bobinage « 1/3 - 2/3 »)
Le bobinage comporte deux « phases » : une « phase de marche » ou « phase
principale », et une « phase auxiliaire » ou «phase de démarrage».
- Le bobinage de la phase de marche, qui occupe les deux tiers des encoches,
son fil est plus gros, il a la plus faible résistance ohmique.
- La « phase de démarrage », qui occupe elle le reste des encoches soit le tiers
restant.
- Repérage des connexions aux bornes terminales : Phase de marche : U1-U2,
Phase de démarrage : Z1-Z2
Le moteur comporte aussi un artifice de démarrage, qui peut être :
- Soit un contact centrifuge constitué d'une partie tournante solidaire de l'arbre
(en général coté opposé entraînement et juste derrière le ventilateur); il s'agit
d'un système à masselottes s'écartant brusquement sous l'effet de la force
centrifuge à une certaine vitesse ; et d'un contact fixe solidaire du flasque
arrière
- Soit d'un relais de démarrage : relais Klixon qui sont des relais d'intensité dont
le contact se ferme sous l'action de la surintensité de démarrage et se rouvre
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dès que le courant est revenu à la valeur nominale et que le moteur est
démarré
- Soit d'un relais de démarrage (Leroy Somer), qui est un relais de tension placé
aux bornes du bobinage de phase auxiliaire.
Tout ou partie des fils sont ramenés à une plaque à bornes dont la disposition pour ce qui concerne les moteurs monophasés - est plus fonction de la "culture"
des divers constructeurs que de normes établies.
Ces bobinages sont réalisés en encoches pleines occupées par les conducteurs
d'une seule phase.
Cependant les constructeurs américains et certains anglais ont coutume de
réaliser des schémas ayant des encoches partagées par les deux phases, ou
bobinages dits en « demi-encoches », mais parfois encore des bobinages 3/3 où
les deux phases se partagent des "demi-encoches" dans toutes ou partie des
encoches
Fonctionnement :
Démarrage : on alimente la phase de marche , en parallèle avec le circuit
constitué de : [relais ou contact de démarrage + condensateur + phase
auxiliaire] . Le relais coupe dès que le moteur est lancé, ensuite seule la phase
de marche reste alimentée. Un relais d'intensité - petit boîtier noir à trois
bornes Faston, généralement de marque Klixon - il y en a guère d'autres...- ,
comportant une bobine en série avec la « phase de marche », attirant la palette
d'un contact qui alimente un bref instant le circuit : [phase de démarrage en
série avec le condensateur] pour lancer le moteur.
Sur d'autres modèles c'est un contacteur centrifuge à masselottes qui coupe le
circuit [phase de démarrage + condensateur] au delà d'une certaine vitesse.
Leroy Somer utilise un vieux brevet de feu les moteurs Somer (une des
nombreuses marques disparues ou absorbées) , système à relais de tension
surveillant l'évolution de la tension aux bornes de la phase auxiliaire <elle
même en série avec le condensateur>. La nouvelle gamme de monophasés du
constructeur d'Angoulême repose d'ailleurs entièrement sur ce système, les
ingénieurs LS arguant - essais d'endurance à l'appui - qu'il est plus endurant
que les contacteurs centrifuges.
Le condensateur, dit « condensateur de démarrage » est un condensateur
électrolytique de forte capacité : des centaines de µF, pour Service Intermittent
*) Ces moteurs ont un fort couple de démarrage : CD/CN compris entre 1,5 à 3,
ce qui est quasi équivalent au Cd/Cn des moteurs asynchrones triphasés.
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Caractéristiques :
Schéma à relais d'intensité et condensateur de démarrage.
(* Ce type de condensateur ne supporte pas de rester sous tension plus longtemps
que le temps d'un démarrage, au-delà il peut exploser.)
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Moteur à condensateur de démarrage et à condensateur permanent
Amélioration du CD/CN, du facteur de puissance, et de la vitesse.
2.1.1.3 Moteurs à induction sans condensateur
Moteur "Split-Phase" ou à phase de démarrage à haute résistance
Il s'agit là d'un vieux système, encore utilisé par les constructeurs américains,
souvenir de l'époque où faute d'une technologie des condensateurs fiable, les
moteurs mono démarraient à l'aide d'une résistance, parfois une self, en série
avec la phase de démarrage et un contacteur centrifuge de démarrage (parfois
un relais d'intensité). Ici la résistance a été intégrée au bobinage par la valeur
ohmique importante donnée à l'enroulement de démarrage (grand nombre de
spires, faible section) . Parfois on utilisa même du fil de bobinage en fil de fer
émaillé, c'était un piège pour les bobiniers, s'ils ne s'en apercevaient pas le
moteur ne marchait plus après rebobinage tout en cuivre...
Ce système est néanmoins fragile : la phase auxiliaire, réalisée en fil fin, peut griller
rapidement suite à un blocage ou un défaut de contact centrifuge. Il est néanmoins
toujours utilisé par des constructeurs anglo-saxons, américains, et asiatiques pour
réaliser des moteurs économiques et où l'on ne demande pas de forts couples de
démarrage.
Démarrage :
Le nombre de spires de la phase principale est supérieur à celui de la phase de
démarrage => la Réactance de la phase principale est supérieure à celle de la
phase de démarrage.
La Résistance de la phase de démarrage est très élevée (fil fin) par rapport à
celle de la phase principale.
Les deux enroulements sont connectés en parallèle.
Dans l'enroulement de démarrage le courant est presque en phase avec la
tension , tandis que dans la phase principale il y a un déphasage arrière par
suite de sa Réactance.
Le flux d'un pôle étant en phase avec le courant, le flux de l'enroulement de
démarrage est en avance sur le flux de l'enroulement principal, cela donnant
naissance à un champ tournant.
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Caractéristiques : Cd/Cn : 1 à 2
Moteur à enroulement de démarrage dit « bifilaire » (à spires inversées)
Le bobinage est composé de 2 phases dissymétriques (généralement 1/3-2/3) :
La phase de marche est bobinée normalement.
La phase de démarrage est bobinée de façon particulière : 70¨% de ses spires
sont bobinées dans un sens, dans toutes les encoches réservées à la phase de
démarrage, et les 30% de spires restantes sont bobinés à l'envers dans les
mêmes encoches (sauf exception sur certaines petites pompes où seulement les
bobines du plus grand pas comportaient des spires inverses). Le fait d'ajouter
des spires inversées n'augmente que la Résistance de la phase auxiliaire, on
aboutit au même résultat qu'avec le moteur "Split-Phase", en un peu plus
solide. On obtient des moteurs économiques ayant un petit couple de
démarrage, néanmoins supérieur à ce qu'on obtiendrait avec un moteur à
condensateur permanent.
Fonctionnement :
Comme les moteurs monos à condensateur de démarrage avaient une borne du
condensateur reliée au contact d'un relais ou d'un coupleur centrifuge, la phase
de démarrage est ici reliée directement au contact d'un relais d'intensité
(Klixon, ELD), ou à un contact centrifuge qui la coupent dès que la vitesse
nominale est atteinte.
Utilisé dans de petites pompes (Marelli, Siemens, et sans doute dans leurs
clones actuels).
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Caractéristiques :
Schéma à relais d'intensité, sans condensateur.
2.1.1.4 Divers :
Variante de bobinage de la Phase de Marche
- Certains moteurs bitension américains ont leur phase principale enroulée avec
« deux fils en main » qui passent par toutes les bobines de la phase principale,
soit deux circuits qu'on peut coupler en série ou en parallèle. On réalise le
couplage série (tension haute) en reliant la fin d'un circuit au début de l'autre
en passant deux fois dans les bobines. Pour le parallèle (tension basse) on relie
ensemble les deux fils à l'entrée et à la sortie.
Bobinages américains
Certains constructeurs préfèrent réaliser des bobinages 3/3 : les deux phases
sont de nombres de spires et de sections différentes, le bobinage est sur deux
plans, la phase principale occupant la presque totalité du nombre d'encoche,
avec une répartition sinusoïdale des nombres de spires (variables) .
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Moteurs bi-tension (110/220 V)
Pour ne pas surcharger j'ai choisi de montrer seulement des schémas de
moteurs à une seule tension, mais bien évidemment il existe des moteurs bitension . Il s'agit juste d'un couplage série ou parallèle des bobines de la phase
de marche, la phase auxiliaire ou de démarrage étant prévue pour 110 V, et
connectée d'un coté sur le "pont" de série dans le cas d'utilisation sur la tension
"haute" (connexion série). Moteurs multi-vitesses à prises
Si l'on veut avoir plusieurs vitesses (en général deux) on peut réaliser deux
bobinages de polarités différentes.
Mais dans le cas de l'usage en ventilation, avec des rotors dits "glissants", on
utilise alors des bobinages à une seule polarité, mais on "allonge" la phase
principale (ajout de spires) pour en diminuer la puissance, ce qui aura pour effet
de faire glisser le moteur avec sa charge (l'hélice du ventilateur) et de le
ralentir. Certains constructeurs italiens vont jusqu'à multiplier les prises pour
réaliser jusqu'à 5 ou 7 vitesses ! Deux dispositions de leur schéma étant
possible : en L ou en T.
Moteurs multivitesses avec auto-transformateur à prises
Utilisé en ventilation. C'est un moteur à condensateur permanent alimenté par
un auto-transformateur comportant plusieurs "prises" reliées au moteur via un
commutateur, la variation de puissance obtenue par réduction de la tension
d'alimentation du moteur occasionne une variation de la vitesse en charge.
Cela revient au même lorsque on fait cela avec un variateur de tension
électronique.
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LES DIFFÉRENTS ARTIFICES DE DÉMARRAGE
1/ Les Condensateurs
- Condensateur de marche ou "condensateur permanent"
On trouve des condensateurs de deux technologies :
- à isolation papier imprégné d'huile, qui se présentent sous forme de tubes
en aluminium sertis avec une soupape de sécurité située à coté des cosses
Faston de raccordement.
- à film de polypropylène métallisé - auto cicatrisants : la plupart du
temps en boîtier plastique blanc scellé à la résine, mais certaines marques les
font encore sous tube aluminium serti.
Les tensions d'isolement habituelles sont de l’ordre de 400 - 450 V~
Auto cicatrisant signifie que la conception de ces condensateurs autorise des
micro-amorçages entre armatures, amorçages à l'effet "auto réparateur" :
chaque fois que se présente une surtension ou une faiblesse de l'isolation du
condensateur, il se produit à l’intérieur de la bobine du condensateur une mini
explosion dans une zone très localisée entre deux couches de diélectrique, ce
qui a pour effet de volatiliser une infime partie de l'aluminium de l'armature et
de rétablir aussitôt la fonction de condensateur. Ces condensateurs peuvent
donc vivre plusieurs "petites morts" et s'en porter pas plus mal, là où des
condensateurs d'autres technologies auraient rendu l'âme depuis des lustres !
Mais il faut savoir qu'à ce jeu le condensateur laisse un peu des plumes, et que
petit à petit il va lui manquer des microfarads, jusqu'au jour où le moteur
peinera pour démarrer...
- Condensateur de démarrage
Ce sont des condensateurs de fortes valeurs, réalisés en technologie
"électrolytique", pour service intermittent.
Ils se présentent comme un cylindre de plastique ou encore de bakélite noire.
Ce sont des condensateurs "électrochimiques" non polarisés, dits "pour
démarrage de moteur monophasé"
Leurs tensions d'isolement sont de : 110, 160, 220, 260, 330 V~ (j'insiste car
souvent on entend souvent parler de condensateur de démarrage à propos d'un
condensateur permanent)
"Condensateurs permanents" et "condensateurs de démarrage" s'achètent chez
les bobiniers (chez qui on trouvera aussi les relais de démarrage), les vendeurs
de pièces détachées pour gros électroménager, et aussi Radiospares, Farnell,
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etc.
Rappel : Les capacités des condensateurs s'additionnent en les connectant en
parallèle.
2 / Les contacteurs de démarrage
Contacteur centrifuge
Le plus répandu, monté sur l'arbre coté opposé entraînement, derrière le
ventilateur. Divers modèles sont utilisés selon les constructeurs. Il s'agit d'un
système à masselottes qui s’écarte brusquement à certaine vitesse et ouvre un
contact alimentant la phase de démarrage.
3 / Relais d'intensité
Monté en série avec la phase de marche, opérant un contact rapide sur phase
auxiliaire.
Principe : le relais colle avec l'appel de courant au démarrage, le contact se
ferme et alimente la phase auxiliaire (en série avec le condensateur si il y a),
mais le courant décroît brusquement dans la phase principale quand le moteur
approche de sa vitesse normale, ce qui a pour effet d'ouvrir le contact quand la
valeur de seuil du relais est atteinte et de couper l'alimentation de la phase de
démarrage..
Marques : KLIXON, ELD (qui sont des relais d'intensité électromagnétiques, à
contact NO) ,
4 / Relais de tension
Monté en // sur la phase auxiliaire (hors condensateur) : collé ou non suivant
l'évolution de la tension aux bornes de la phase de démarrage.
Principe : la tension aux bornes de la phase auxiliaire croit avec la vitesse du
moteur ; le contact NC du relais alimente la phase auxiliaire pendant le
démarrage, puis à une certaine tension de seuil, lorsque la vitesse du moteur
est proche de sa vitesse normale, le relais colle, coupant l'alimentation de la
phase de démarrage ; La tension induite dans la phase auxiliaire suffit à
maintenir le relais collé en marche, ceci évitant un battement fâcheux.
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Utilisateur : LEROY SOMER
Schéma à relais de tension, à condensateur.
5 / Relais électroniques :
L'organe de commutation est constitué d'un triac, et d'une tempo électronique.
Marques : ABB, LCR, ALMOR, LS
6 / Interrupteur de démarrage "spécial mono"
Pour le démarrage "manuel" de certains tourets à meuler, on trouve aussi des
interrupteurs bipolaires dont un des contacts est de type "maintenu". On
actionne le levier, on le maintient avec le doigt le temps du démarrage, puis on
relâche, alors le levier - qui est en deux parties - ramène le contact maintenu à
la position "ouvert". C'est ce dernier contact qui sert à alimenter la phase de
démarrage en série avec le condensateur de démarrage. L'autre contact restant
en position marche pour alimenter le bobinage de marche.
Marque : Marquardt (ABE-AGEMO)
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7 / Relais temporisé
Une tempo, électromécanique ou électronique, qu'on peut aisément réaliser en
appareillage classique ou modulaire, pour alimenter la phase auxiliaire via son
condensateur de démarrage un bref instant : 1 à 2 secondes.
8 / Thermistance PTC de puissance :
Il s’agit d’une grosse varistance "à coefficient de température positif" , qu’on
insère en série avec la phase de démarrage, le courant qui la traverse l'échauffe
et augmente brusquement sa résistance, la rendant ainsi "non passante" et
interrompant le circuit de démarrage.
Utilisé dans les groupes hermétiques de certains réfrigérateurs (Danfoss,
Maneurop...)
Marques : Siemens type : J 19 - (un chiffre de plus pour le calibre en ampères)
TI - Klixon : types SP
Schéma de démarrage par thermistance PTC.
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3 Moteurs triphasés en monophasé
3.1.1 - Avec des condensateurs
On parle beaucoup de faire fonctionner les moteurs triphasés en monophasé.
C'est possible, si on admet une perte de puissance de 30%, et une perte de
couple de démarrage pour les schémas à 1 seul condensateur.
Ne pas oublier que les machines que les particuliers veulent transformer à peu de
frais ont déjà été motorisées le plus souvent "au ras des pâquerettes" par leurs
constructeurs... Donc leur ôter 30% de puissance revient à prendre un risque...
Toutefois cela marche assez bien aux restrictions près, par exemple : à éviter pour les
machines demandant un fort couple de démarrage (la question classique concerne la
combiné machine à bois ou le bon vieux compresseur * dont on a cru que c'était une
affaire...), et encore que...pour peu qu'on y mette le prix en condensateurs et en
appareillage.... Si la bécane a un câblage simple c'est jouable, sinon le meilleur
conseil est d'acheter un moteur monophasé à relais et condensateur de démarrage...
Mais ce type de moteur ne se trouve pas au rabais au rayon bricolage (même si le
vendeur de GSB vous dit que c'est un moteur à condensateur de démarrage, car pour
lui qui vendra des téléphones ou des pizzas dans deux mois, c'est du pareil au
même...) , mais on trouvera chez les artisans et industriels bobiniers des moteurs de
marques italiennes tout à fait abordables au particulier
Car si le fonctionnement s'en approche, on aura pas un vrai mono, on aura tout
juste un engin bricolé avec un mauvais rendement, mais le bricoleur est prêt à
tout pour éviter d'acheter un mono à fort couple de démarrage à 300 - 400 € !
Alors vous etes prévenus.
Plusieurs schémas sont possibles qu'on adaptera selon les besoins et selon les
bobinages. En effet, certains schémas fonctionnent avec certains moteurs,
d'autres non : cela tient à leur construction, à leur schéma de bobinage. Il
faudra s'adapter, faire des essais. Pour les valeurs de condensateurs, voir le
tableau.
[* Pour le compresseur, désolé pour les chères bonnes vieilles mécaniques mais
vu le prix d'un compresseur
« rayon bricolage » le pour et le contre est vite pesé. Et si le groupe
compresseur est "intégré", moteur et compresseur indissociables, le seul moyen
valable serait un convertisseur de fréquence = trop cher, à moins d’avoir un
cousin qui se donne du mal pour débarrasser le service électrique de sa boite de
quelques riblons. ….]
1 . Phase principale = une phase du tri
Phase auxiliaire = deux phases en série
Les deux bobinages ainsi répartis ont donc ainsi leurs axes respectifs décalés
de 90°, un condensateur de valeur appropriée servira à alimenter la phase
auxiliaire . Ce raccordement permet d'avoir le maximum de puissance en 220 V,
toujours en comptant une perte du tiers de la puissance d'origine (voir tableau).
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2 . Phase principale = deux phases du tri en série
Phase auxiliaire = 1 phase du tri
Ce raccordement avec deux phases en série pour la phase principale, bien que
plus logique pour se rapprocher du bobinage 2/3 - 1/3 des vrais monophasés,
devrait être utilisé à tension double, soit en 400 V monophasé . Ou alors en 220
V il faudra diviser par deux la puissance espérée ... Enfin il donne satisfaction
lorsque le montage triangle ne fonctionne pas (c'est arrivé, et ne me demandez
pas pourquoi)...
3 . Moteur en triangle
Le plus couramment utilisé, peut être à tort... :-) , le plus simple
4. Phase principale = 2 phases du tri en parallèle
Phase auxiliaire = la phase restante
Peu utilisé, car ne fonctionne que sous certaines conditions de schémas de
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bobinage et avec des petits moteurs. (petites pompes de machines-outils, à
faible nombre d’encoches, hauteur d'axe 55, 63, 71 mm)
Vu sur de petites pompes de refroidisseur de torche de soudure SAF.
5 . Tableau des valeurs de C
Nature des condensateurs :
Cd : condensateur type "démarrage" (électrochimique pour alternatif 50hz,
démarrage moteur mono) 260/330 V~ (se rajoute, le temps du démarrage, 1 à
2 secondes, en // sur le condensateur de marche) On peut utiliser des
interrupteurs spéciaux à double contact dont un contact "maintenu", ou une
temporisation rapide commandant un relais de condensateur de démarrage.
Cp ; condensateur type "permanent" (polypropylène ou papier/huile) 400/450
V~
Nota : On peut ne mettre qu’un condensateur permanent mais il faut s‘assurer
que le moteur démarre à tous les coups.
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3.1.2 - Avec un "moteur pilote"ou transformateur-convertisseur de phases
On utilise un moteur tri que l'on fait démarrer à vide en premier, avec les
artifices cités plus haut,
puis on peut connecter un autre moteur tri aux bornes de ce moteur tenant lieu
de génératrice : c'est le moteur "pilote". Puis on peut brancher d'autres moteurs
si le moteur pilote est de taille convenable, ensuite le réseau ainsi créé
augmente petit à petit sa capacité en puissance de démarrage avec l’apport de
nouvelles charges.
(Biblio : - Ancel, (J). Machines asynchrones, Techniques de l'Ingénieur,D 451-9,
D3II ;
- Bauer, (P). Moteurs asynchrones, Techniques de l'Ingénieur, D550-20
- Fouillé, (A). Électrotechnique à l'usage des ingénieurs, T2 - Machines
électriques à courants alternatifs. Dunod, 1973. p.p. 328-329)
Ce genre de matériel est couramment commercialisé aux USA et en
Angleterre sous le nom de « convertisseur de phases ».
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Convertisseur triphasé de la marque ISOMATIC (UK)
3.2 - Avec un convertisseur de fréquence
On utilise un convertisseur de fréquence ou variateur de fréquence (ou «
inverter ») qui à partir du réseau 230 V monophasé reconstitue trois phases
décalées de 120° électriques avec une loi U/f : 230V-50 Hz
Il suffit de câbler la référence vitesse pour avoir toujours le maximum et
programmer F max : 50 Hz, et de s'assurer qu'on est bien dans le cas de figure
d'une loi U/f 230 V - 50 Hz, ou simplement sur certains modèles basiques de
tourner le potentiomètre à fond à droite et de n'y plus toucher. Évidemment
régler les rampes d'accélération et décélération à des valeurs convenables, les
constructeurs étant prudents dans leurs pré-réglages en mettant des rampes
assez longues... Si le moteur doit démarrer souvent, on laisse le variateur sous
tension et on utilise un petit interrupteur de mise en marche câblé sur la
commande électronique du variateur. Si la charge est entraînante ou à forte
inertie, il faut impérativement utiliser une résistance de freinage connectée au
bon endroit sur le variateur (en série avec le hacheur de freinage intégré à la
plupart des variateurs), sinon le variateur se mettra en défaut "over-voltage"
lors de la décélération.
Marques : Leroy Somer, Control Technics, Fuji, ABB, Hitachi, Mitsubishi,
Toshiba, et les clones
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4 BIBLIOGRAPHIE
Histoire de l'électricité en France , Tome 1 1881-1918 François Caron/Fabienne
Cardot Fayard
Techniques de l'Ingénieur, Traités Électrotechnique D I, II, III
Docs Moteurs Leroy Somer
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phase auxiliaire. RGE, Février 1950, page 75.
KUCERA, (J). Moteur asynchrone monophasé avec l' enroulement auxiliaire en
court-circuit .RGE, Mai 1949, page 185.
KUCERA, (J). La théorie des moteurs asynchrones monophasés. RGE N° 12,
Décembre 1946, page 493.
ANCEL, (J). Machines asynchrones. Fonctionnement et calcul. Techniques de
l'ingénieur. D 451,7-12, D3 II.
BAUER, (P). Moteurs asynchrones. Techniques de l'ingénieur. D 550 - 1 - 24, D
3 II - 1951.
EMA, revue de bobinage, Allemagne
NEVEN, Srb. Winding technique of electric motors. Tehnicka Kniga Zagreb,
1990.
Encyclopédie Quillet, Edt Desarges
Inductance, (revue des bobiniers défunte et très regrettée)
BRAYMER & ROE. Rebobinage des petits moteurs. Dunod, 1959.
VEINOTT, (Cyril, G.). Les moteurs électriques à puissance fractionnaire.
Traduction Soulier, Dunod 1954.
MERLET, (R). Technologie d'électricité générale et professionnelle - T 3,
Bobinage des machines électriques et des transformateurs statiques. Dunod,
1976.
LAGRON, (L). Les moteurs à courants alternatifs . Dunod, 1949.
FOUILLE, (A). Électrotechnique à l'usage des ingénieurs, T2 Machines
électriques à courants alternatifs, Dunod, 1969.
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5 GLOSSAIRE
PAS : nombre d'encoches embrassées par une bobine
PLAN : couche de bobinage, il peut y en avoir plusieurs, on parle de bobinages
à plans, à 2 plans, à 3 plans
PHASE : quand on parle de "phase" dans un bobinage, cela veut dire un circuit,
ou un enroulement
SPIRES : les "spires" ce sont les nombres de tours faits par les conducteurs
SECTION : la "section" du fil est calculée en mm², alors que le diamètre des fils
du "commerce" est donné en 100emes de mm, donc les bobiniers doivent sans
arrêt jongler de l'un à l'autre grâce à des tables de conversion. Les américains
ont le système AWG (american wire gauge)
CD : Couple de Démarrage
CN : Couple Nominal
ID : Courant de démarrage (surintensité de démarrage)
IN : courant nominal (“normal”, en charge), celui qui est indiqué sur la plaque
du moteur
Décollage : il s'agit des tous premiers instants de la mise en rotation
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6 VARIATION DE VITESSE
Pour faire varier la vitesse des moteurs monophasés, on ne peut agir que sur la
tension, on utilisera donc des variateurs électroniques de tension monophasés,
et la plage de vitesse sera fonction du moteur et de sa charge.
Aucune variation ne sera sensible à vide, il faut mettre le moteur en charge
pour le freiner, car le principe est de diminuer sa puissance et c'est la charge
qui le ralentit. Peu stable, mais très utilisé en ventilation ou la charge est à peu
près constante.
Pour faire varier la vitesse des moteurs triphasés le meilleur moyen est
de faire varier la fréquence et la tension de l'alimentation. On utilise des
variateurs ou convertisseurs de fréquence (inverters pour les anglophones) qui
sont des appareils courants de nos jours, dans lesquels on redresse d'abord le
courant puis un onduleur fabrique, à partir de l'étage continu, trois phases
décalées de 120 ° . Une logique de contrôle réalise une loi U/f conforme aux
caractéristiques de notre moteur. La tension et la fréquence variant depuis zéro
ensemble pour atteindre (par exemple) 230 V 50 Hz.
Donc le meilleur moyen d'avoir une vitesse variable sur une machine est
d'utiliser un convertisseur de fréquence et un moteur triphasé. La solution
consistant à utiliser un moteur à collecteur reste valable, mais on parle ici
uniquement des moteurs à induction.
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