Introduction au cours d’actionneurs spéciaux 1. Objet du cours Pour répondre aux diverses exigences d’utilisation des actionneurs, notamment en ce qui concerne le niveau de puissance, la précision, la commande et des spécificités d’embarquement, il s’est développé des actionneurs électriques dont la structure, la commande et l’encombrement se distingue des actionneurs standards que sont les moteurs électriques. Fondamentalement, un actionneur est un dispositif assurant une action en rapport avec la commande qui lui est associé et son environnement de fonctionnement. De ce point de vue, on peut ranger dans ce vocable des dispositifs comme des résistances chauffantes, des vannes, des lampes etc. Les actionneurs dont il est question dans ce cours sont des moteurs électriques dont la spécificité ce situe au niveau de la forme d’énergie électriques mis en jeu, de la taille, de la constitution, du mode de fonctionnement et des performances, en occurrence la précision dans l’action à assurer. Ce cours traite donc des moteurs monophasés, des moteurs pas à pas qui sont des actionneurs très répandues dans les applications quotidiennes. L’objectif est de donner des compétences de mise en œuvre, de modélisation et de maîtrise de fonctionnement. 2. • • • Plan du cours Les moteurs monophasés Les moteurs pas à pas Les micro machines 1 Les Moteurs monophasés 1. Introduction Le moteur monophasé est le moteur le plus familier de tous les moteurs à courant alternatif. Il est utilisé dans les appareils ne requérant qu’une faible puissance comme les machines-outils portatives et les appareils électroménagers. On l’utilise dans les installations où l’on ne dispose pas de courant triphasé. Il existe une grande variété de moteurs monophasés adaptés à une multitude d’applications. Leur principe de fonctionnement est plus compliqué que celui des moteurs polyphasés. Ce chapitre traite en particulier du moteur monophasé et de quelques types importants qu’on rencontre dans certaines applications comme actionneurs. 2. Construction Le moteur asynchrone monophasé se compose essentiellement d’u rotor à cage d’écureuil semblable à celui des moteurs triphasés, et d’un stator. Le stator porte un enroulement principal bobiné de façon à former des pôles dont le nombre détermine la vitesse de la machine. Il porte aussi un enroulement auxiliaire qui fonctionne aussi au démarrage. L’enroulement auxiliaire a le même nombre de pôles que l’enroulement principal. Chaque pôle de l’enroulement principal est composé de 4 bobines concentriques raccordées en série (figure 2). Les pôles adjacents sont connectés afin de créer des pôles contraires N, S. L’encoche vide situé au milieu de chaque pôle, et les encoches partiellement remplies de chaque côté de celle-ci, servent à loger l’enroulement auxiliaire. Cet enroulement ne possède que deux bobines Figure1 : vue partie d’un moteur concentriques par pôles monophasé Figure 2 : a) Les 4 bobines concentriques constituants chaque pôle de ce moteur monophasé à 4 pôles possèdent respectivement 10, 20, 25 et 30 spires de fil n° 16. b) Les deux bobines concentriques constituant chaque pôle de l’enroulement auxiliaire possèdent chacune 25 spires de fil n°22. 2 3. Vitesse synchrone La vitesse d’un moteur asynchrone monophasé est exprimée par la formule ci-dessous comme pour les moteurs polyphasés. avec : vitesse synchrone du moteur en tr/min : fréquence de la source : nombre de pôles Le rotor tourne à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse synchrone. Pour mes moteurs à puissance fractionnaire moins de 750 W , le glissement est généralement compris entre 3% et 5%. 4. Caractéristique mécanique Considérons une représentation schématique du rotor et de l’enroulement principal d’un moteur asynchrone monophasé à deux pôles. (figure 3-a) Supposons que le rotor soit au repos. Quand une tension monophasée est appliquée à l’enroulement du stator, un flux ∅ y rend naissance. Ce flux est alternatif, donc variable, mais ne produit pas de camp Figure 3-a tournant. Des courants alternatifs sont induits dans les conducteurs du rotor par la variation de ce flux. Lorsque le rotor est stationnaire, tous les conducteurs sont soumis à l’action d’une force électromagnétique car ils sont placés dans un champ. Cependant, le couple résultant est nul car les forces en regard l’une de l’autre sont respectivement égales mais agissent en sens contraire. Le moteur ne peut donc pas démarrer. Si maintenant le moteur est lancé à la main dans un sens ou dans l’autre, on constate que le rotor produit un couple qui fait accélérer le moteur dans le sens du lancement. Le moteur atteint rapidement une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchrone et s’y maintient. La Figure 3-b figure 3-b montre la courbe du couple en fonction de la vitesse lorsque l’enroulement principal est alimenté. 3 Bien que le couple de démarrage soit nul, le moteur produit un couple de plus en plus puissant à mesure qu’il s’approche de la vitesse de synchrone. Le couple atteint sa valeur maximale à 75% de la vitesse synchrone, après quoi, il redevient nul. 5. Principe de fonctionnement Quand le moteur se met à tourner, un champ tournant prend naissance ; ce champ résulte de l’action combinée de la FMM du stator et de la FMM du rotor produite par le courant circulant dans le rotor. En considérant la figure 4 ci-contre, on voit qu’au moment où le moteur commence à tourner, une tension est induite dans chacun des conducteurs des sections abc et adc du rotor parce qu’ils coupent les lignes de force du flux ∅ produit par la FMM du stator. Etant donné que tous les conducteurs sont court-circuités dans une cage d’écureuil, il Figure 4 s’ensuit que les courants de circulation traversent les conducteurs de la cage et créent une FMM produisant un flux∅ . C’est l’action combinée de ces deux flux qui donne naissance au champ tournant. En effet, ces flux n’atteignent pas leurs valeurs maximales en même temps et comme ils sont décalés de 90° dans l’espace, ils produisent un champ tournant, comme celui du moteur diphasé. 6. Démarrage par phase auxiliaire Le fonctionnement du moteur monophasé tel présenté est satisfaisant une fois qu’il est en marche, mais le fait qu’il ne démarre pas seul constitue un grave inconvénient. C’est pourquoi on place sur le stator, un enroulement auxiliaire qui rend possible le démarrage du moteur. Comme on l’a vu, cet enroulement possède le même nombre de pôles que l’enroulement principal, mais ses pôles sont décalés dans l’espace de 90° électriques par rapport aux pôles de l’enroulement principale. (figure 5) L’enroulement secondaire est généralement débranché au moyen d’un interrupteur centrifuge qui s’ouvre dès que la vitesse du moteur atteint approximativement 75% de la Figure5 vitesse nominale. 4 7. Moteur à phase auxiliaire résistive Dans le moteur à phase auxiliaire résistive, l’enroulement principal comporte un nombre considérable de spires gros fil. Sa réactance inductive est donc élevée et sa résistance faible ; le courant qui y circule est fortement en retard sur la tension E. D’autre part, l’enroulement auxiliaire compte un nombre moindre de spires de fil fin. Sa résistance est donc élevée et sa réactance inductive plus faible que pour l’enroulement principal, le courant qui parcourt l’enroulement auxiliaire est presque en phase avec la tension E de la source. Figure 6 : Moteur monophasé à phase auxiliaire résistive Sur le diagramme vectoriel, on remarque que les courants et , ainsi que les flux correspondants sont bien déphasés. Ces deux flux peuvent donc produire le champ nécessaire au démarrage du moteur. Le courant de démarrage tiré de a ligne est égale à la somme vectorielle des courants et . Sa valeur est de 6 à 7 fois courant nominal du moteur. 5 En raison de la faible section du conducteur, la densité de courant dans l’enroulement auxiliaire est extrêmement élevée. Son échauffement est donc rapide. Pour que sa température n’atteigne pas une valeur dangereuse, il faut que l’interrupteur centrifuge le mette hors circuit en 1 ou 2 secondes ; si la période d’accélération dure plus de 5 secondes, on risque de brûler l’enroulement auxiliaire, à moins que le moteur soit protégé par un relais thermique. Ce type de moteur ne convient donc pas à des démarrages fréquents. 8. Moteur à démarrage par condensateur Le moteur à démarrage par condensateur de la figure ci-dessous ressemble au moteur à démarrage par phase auxiliaire résistive. Cependant, son enroulement auxiliaire a pratiquement autant de spires mais plis petit que l’enroulement principal. De plus, un condensateur est connecté en série avec l’enroulement auxiliaire. Un interrupteur centrifuge met la phase auxiliaire hors circuit lorsque la vitesse atteint 75% de la vitesse nominale. La réactance capacitive du condensateur est choisie de façon que le courant dans la phase auxiliaire soit déphasé en avance sur la tension appliquée E. Le courant dans la phase principale est évidemment en retard sur la tension. On réussit ainsi à obtenir un déphasage entre les courants et (donc entre les flux ∅ et ∅ ) plus grand que dans la cas du moteur à phase auxiliaire résistive. Le couple de démarrage est donc plus fort, ce qui diminue la durée de démarrage ainsi pendant lequel l’enroulement auxiliaire demeure en circuit. De plus comme le que le temps courant est plus petit, le facteur d’échauffement est beaucoup faible que pour le moteur à phase auxiliaire résistive. Son enroulement auxiliaire chauffe donc moins. Il faut bien se souvenir que lorsqu’un courant circule pendant une courte période, c’est le facteur qui détermine l’échauffement d’un conducteur. Figure 7 : Moteur à démarrage par condensateur Le moteur à démarrage par condensateur offre donc le double avantage de produire un plus grand couple de démarrage et de tirer un plus petit courant de démarrage. Ce coutant I représente seulement 4 ou 5 fois le courant de pleine charge. Le démarrage peut donc se faire dans des conditions plus difficiles qu’avec un moteur à phase auxiliaire résistive. 6 Seules les caractéristiques de démarrage de ce moteur sont supérieures à celle du moteur à phase auxiliaire résistive ; en marche normale, les deux types de moteurs ont exactement les mêmes caractéristiques car seul l’enroulement principal du stator reste actif. L’emploi très répandu des moteurs à démarrage par condensateur est dû au perfectionnement des condensateurs électrolytiques à courant alternatif peu couteux et offrant de fortes capacitances pour de faibles encombrements. Bien que ces condensateurs ne puissent pas rester continuellement sous tension, ils conviennent très bien à un usage intermittent. Avant l’apparition de ces condensateurs, on avait recours aux moteurs à répulsion-induction (à collecteur) dans les applications requérant un fort couple de démarrage. 9. Caractéristique en charge des moteurs asynchrones Le rendement et le facteur de puissance des moteurs asynchrones monophasés à puissance fractionnaire est habituellement bas. Ainsi, à pleine charge, un moteur de 186 W a un rendement et un facteur de puissance de l’ordre de 60%. En raison du courant d’excitation élevé, le courant à vide est compris entre 70% et 90% du courant de pleine charge. Par conséquent, même pour la marche à vide, ces moteurs atteignent un échauffement se rapprochant de la moitié de celui à pleine charge. Figure 8 : Courbes du couple en fonction de la vitesse d’un moteur monophasé à démarrage par condensateur ; capacité : 250W, 115V, 60hz, isolation classe 105°C, CEMA classe N. Le tableau ci-dessous donne les caractéristiques d’un moteur asynchrone monophasé à démarrage par condensateur, ayant une capacité de 250 W, 1750 tr/min, 115V 60Hz. De plus, on donne à la figure 8, les courbes du couple en fonction de la vitesse pour ce même moteur. On constate que pendant la période d’accélération, l’enroulement principal et l’enroulement auxiliaire produisent ensemble un couple très élevé comparativement au couple nominal de la machine. Par conséquent, à moins que l’inertie de la charge soit très élevée, le moteur atteint sa vitesse nominale en une fraction de seconde. 7 Lorsque le rotor atteint une vitesse de 1370tr/min, l’interrupteur centrifuge s’ouvre et le moteur tombe subitement sur la caractéristique couple-vitesse de l’enroulement principal seul. Le couple diminue subitement de 9,5 N.m à 2,8 N.m, mais le moteur continu à accélérer jusqu'à une vitesse 1760 tr/min, correspondant à la vitesse de pleine charge. 10. Vibration des moteurs monophasés Si l’on met la main sur le stator d’un moteur monophasé en marche, on sent des vibrations rapides même lorsque le moteur tourne à vide. Ces vibrations n’existent pas dans le vas des moteurs diphasés et triphasés et, par conséquent, ces machines sont moins bruyantes. Ces vibrations résulte du fait qu’un moteur monophasé reçoit une puissance électrique pulsative alors qu’il débite une puissance mécanique constate. Si on considère le moteur de 250 W du tableau ci-dessus, on note que le courant de pleine charge est 5,3 A et comme le FP est de 64%, il est déphasé de 50° en arrière de la tension. La puissance apparente est de S = EI = 610 VA et la puissance active est P = S × FP = 390 W Bien que le moteur absorbe 390 W, il ne débite qu’une puissance mécanique de 250 W. La différence est due aux pertes dans le moteur. Cette information donne une vue globale du fonctionnement du moteur. Afin d’expliquer la source des vibrations, il faut examiner la puissance instantanée p fournie au moteur (figure 9). Ainsi, la tension et le courant sont : E = 115√2sin' = 163 sin ' I = 5,3)3 sin*' − 50°- = 7,5sin*θ − 50°8 La puissance instantanée est égale au produit0 , soit : p = 163 sinθ × 7,5 sin*θ − 50- = 1223 sin*θ − 50°Par exemple, lorsque ' = 80° on obtient : Figure 9 : Puissance électrique instantanée P absorbée par un moteur lorsqu’il débite une puissance mécanique constante de 250 W. Les vibrations du stator sont transmises au support auquel il est fixé et peuvent parfois créer des bruits inacceptables. Pour éviter cela, on intercale, entre les deux flasques du moteur et son support, un anneau en caoutchouc qui assure un isolement mécanique. Pour les mêmes raisons, on doit parfois intercaler un anneau de caoutchouc entre l’arbre du moteur et la charge qu’il entraine (ventilateur, par exemple). 9