moteurs électriques et générateurs

moteurs électriques et générateurs
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PRÉSENTATION
moteurs électriques et générateurs, dispositifs qui transforment de l'énergie électrique en énergie
mécanique (moteurs électriques) ou qui fournissent de l'énergie électrique à partir d'une autre
forme d'énergie (générateurs).
Les générateurs les plus employés et les plus puissants sont les générateurs électromécaniques,
qui convertissent l'énergie mécanique en énergie électrique. Mais il faut savoir qu'il existe d'autres
formes de générateurs, tels que les piles électrochimiques, qui fonctionnent sur le principe des
réactions d'oxydoréduction, ou bien encore les générateurs isotopiques, qui utilisent comme source
d'énergie les rayonnements émis par des éléments radioactifs (voir radioactivité). Ce dernier type
de générateur a l'avantage d'avoir une durée de vie très longue, sans exiger d'entretien. C'est
pourquoi on l'utilise dans les engins spatiaux, ainsi que dans certains stimulateurs cardiaques.
Dans cet article, on ne s'intéressera qu'aux générateurs électromécaniques, qu'on appellera plus
simplement « générateurs ». De la même manière, on désignera par « moteurs », les moteurs
électriques.
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HISTORIQUE
Le fonctionnement des générateurs et des moteurs découle de deux principes physiques
réciproques. Le premier, découvert par le physicien français André-Marie Ampère en 1820, est l'un
des fondements de l'électromagnétisme (voir magnétisme). Ampère constata que lorsqu'un courant
traversait un conducteur placé dans un champ magnétique, ce conducteur était soumis à une force
mécanique due au champ. L'autre principe est celui de l'induction, découverte en 1831 par le
scientifique britannique Faraday : lorsque l'on fait passer un aimant à travers un conducteur, un
courant est induit dans le conducteur. Léon Foucault, en 1850, montra également l'existence de
courants induits dans une masse métallique en mouvement située dans un champ magnétique. Ces
courants induits furent ensuite appelés « courants de Foucault ».
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CARACTÉRISTIQUES ET CLASSIFICATION
Les générateurs et les moteurs se composent de deux éléments : l'inducteur et l'induit. L'inducteur,
constitué d'un électro-aimant et de son bobinage, produit le champ magnétique. L'induit représente
la structure qui porte les conducteurs traversant le champ. C'est en général un noyau en fer doux
laminé, autour duquel sont enroulés des fils conducteurs. Ces fils véhiculent le courant induit dans
un générateur, ou le courant d'excitation dans un moteur. Les générateurs qui fournissent du
courant continu sont appelés dynamos, ceux qui produisent du courant alternatif se nomment
alternateurs. (Voir électricité.)
3.1
Générateurs à courant continu (CC)
La forme la plus simple de générateur CC est la dynamo à disque, mise au point par Faraday. Il
s'agit d'une roue de cuivre, dont une moitié est placée entre les pôles d'un aimant en forme de fer
à cheval. Lorsque ce disque tourne, un courant est induit entre le centre du disque et son bord, dû
à l'action du champ de l'aimant. Le disque peut également faire office de moteur, si on applique
une tension entre le bord du disque et son centre. La force produite par la réaction magnétique
provoque alors la rotation du disque.
Lorsque l'induit tourne entre deux pôles d'un inducteur fixe, le courant dans l'induit change de
sens, chaque fois que l'induit change de secteur polaire. Pour produire un courant unidirectionnel
(appelé courant continu) à partir d'un tel dispositif, il faut donc parvenir à inverser le sens du
courant fourni par le générateur, à chaque changement de secteur polaire de l'induit. Sur les
anciens modèles de générateurs, cette inversion s'effectue grâce à un commutateur, composé
d'une bague métallique en deux parties, montée sur l'arbre de l'induit. Les deux moitiés de la
bague, isolées l'une de l'autre, font office de bornes pour la bobine de l'induit. Lorsque le
commutateur tourne, il s'appuie sur des balais fixes en métal ou en carbone, qui sont des pièces
conductrices de liaison, et qui transmettent le courant de l'induit au circuit extérieur. Chaque balai
entre alternativement en contact avec chaque moitié du commutateur, quand le courant de l'induit
change de sens. Par ce procédé, le générateur délivre ainsi au circuit extérieur un flux de courant
continu. Ces générateurs CC fonctionnent généralement à des tensions relativement faibles, de
l'ordre de 1 500 V, afin d'éviter la formation d'étincelles entre les balais et le commutateur. Sur
certains générateurs plus récents, l'inversion est commandée par des dispositifs électroniques,
comme des redresseurs à diode.
Sur un induit ne comportant qu'un seul enroulement de fils conducteurs, l'intensité du courant
varie en fonction de la zone du champ magnétique que l'enroulement traverse. Comme ce champ
n'est pas uniforme, l'induit ne fournira pas un courant constant. Afin d'obtenir un courant
d'intensité constante, les générateurs CC actuels utilisent des induits en tambour, composés d'un
grand nombre d'enroulements. Ceux-ci sont placés dans des fentes pratiquées le long du noyau de
l'induit, parallèlement à son axe, et reliés aux bornes d'un commutateur multiple. Lorsque l'induit
tourne, le commutateur se connecte systématiquement à l'enroulement qui traverse à ce moment
la zone de haute intensité du champ magnétique. Ainsi le courant fourni par l'induit sera
théoriquement constant. Les inducteurs des générateurs actuels sont en général équipés de quatre
pôles électromagnétiques au minimum, afin d'augmenter l'intensité du champ magnétique. De
petits pôles intermédiaires sont parfois ajoutés, pour compenser les distorsions du flux magnétique
de l'inducteur, dues à la réaction magnétique de l'induit.
Les générateurs CC sont communément classés selon la manière dont est monté l'inducteur avec
l'induit. Un générateur en série est pourvu d'un inducteur monté en série avec l'induit, tandis qu'un
générateur en dérivation possède un inducteur monté en parallèle avec l'induit. Les générateurs à
enroulement compound sont dotés d'inducteurs montés en série avec l'induit, combinés à des
inducteurs montés en parallèle. Ces deux derniers types de générateurs présentent l'avantage de
fournir une tension relativement constante sous des charges électriques variables. Le générateur
en série est principalement utilisé pour fournir un courant constant à tension variable. Un magnéto
est un petit générateur CC dont le champ magnétique est produit par un aimant permanent.
3.2
Moteurs CC
Moteur à courant continu
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Habituellement, les moteurs CC sont d'une construction similaire à celle des générateurs CC. On
pourrait presque les présenter comme des générateurs « à fonctionnement inverse ». Comme sur
les générateurs, les moteurs sont dotés du même type de commutateur. Lorsqu'on fait passer un
courant dans l'induit d'un moteur CC, un couple se crée par réaction magnétique et l'induit tourne.
La rotation de l'induit produit une tension dans ses enroulements. Cette tension induite, de signe
contraire à celle appliquée à l'induit, s'appelle tension à l'état bloqué ou force contre-électromotrice
(fcem). Lorsque le moteur tourne plus rapidement, la force contre-électromotrice augmente,
jusqu'à être pratiquement égale à la tension appliquée. Le courant reste alors faible, et la vitesse
du moteur demeurera constante tant que celui-ci n'exécutera aucun travail mécanique, à
l'exception de celui fourni pour faire tourner l'induit. Si le moteur est soumis à une contrainte
mécanique, l'induit tournera alors plus lentement, ce qui réduira la fcem. On pourra par
conséquent appliquer à l'induit un courant plus élevé. Le moteur pourra donc recevoir une plus
grande puissance électrique de sa source d'alimentation, et effectuer un travail mécanique plus
important.
Puisque la vitesse de rotation détermine le débit de courant dans l'induit, il faut utiliser un dispositif
spécifique pour amorcer les moteurs CC. Lorsque l'induit est immobile, il ne possède aucune
résistance. Si on lui applique la tension normale de travail, un fort courant passe, ce qui pourrait
endommager le commutateur ou les enroulements de l'induit. Pour éviter une telle détérioration,
on installe en général une résistance de démarrage, montée en série avec l'induit, et qui abaisse le
courant jusqu'à ce que le moteur produise une fcem adéquate. Une fois que le moteur est mis en
route, on réduit alors progressivement la résistance, manuellement ou automatiquement.
3.3
Générateurs à courant alternatif (CA)
Comme nous l'avons vu ci-dessus, un générateur simple sans commutateur produit un courant
électrique qui change de sens, lorsque l'induit tourne. Ce courant alternatif est intéressant pour
transmettre une puissance électrique, ce qui explique que la plupart des gros générateurs soient de
type CA. Sous sa forme la plus simple, un générateur CA se différencie d'un générateur CC par
seulement deux aspects. D'une part, l'enroulement de l'induit n'est pas relié directement aux
commutateurs, mais à des bagues collectrices placées sur l'arbre du générateur. D'autre part, les
bobines de l'inducteur sont alimentées par une source externe de courant continu, et non par le
générateur lui-même.
La fréquence du courant produit par un générateur CA est égale à la moitié du produit du nombre
de pôles magnétiques par le nombre de tours par seconde de l'induit. Les générateurs CA à faible
vitesse sont dotés d'une centaine de pôles, tant pour améliorer leur efficacité que pour atteindre
plus facilement la fréquence souhaitée. En revanche, les alternateurs entraînés par des turbines à
grande vitesse sont souvent des machines bipolaires.
On souhaite en général produire une tension aussi élevée que possible. Des tensions de l'ordre de
13 200 V sont ainsi courantes sur les alternateurs. Les induits rotatifs ne sont pas adaptés à de
telles exigences, car il pourrait se former des étincelles entre les balais et les bagues collectrices.
De plus, d'éventuelles défaillances mécaniques pourraient provoquer des courts-circuits. C'est
pourquoi on équipe les alternateurs d'induits fixes, à l'intérieur desquels tourne un rotor composé
d'un certain nombre d'inducteurs. Le principe de fonctionnement est exactement le même que celui
du générateur CA décrit plus haut mais, ici, ce sont les aimants qui sont en rotation et non les
conducteurs de l'induit.
Un alternateur délivre un courant qui atteint une crête, tombe à zéro, chute à une pointe négative,
revient à zéro et ainsi de suite. Ce phénomène se répète périodiquement selon la fréquence pour
laquelle l'alternateur a été conçu. Un tel courant est appelé courant alternatif monophasé. Si
l'induit comporte deux enroulements, montés à angle droit l'un par rapport à l'autre, et équipés de
connexions externes distinctes, deux ondes de courant seront produites, dont l'une atteindra son
maximum lorsque l'autre sera à zéro. On nomme ce type de courant, courant alternatif diphasé. Si
trois enroulements de l'induit sont placés à 120° les uns des autres, le courant sera fourni sous la
forme d'une onde triple, nommée courant alternatif triphasé. On peut ainsi obtenir un grand
nombre de phases en augmentant le nombre d'enroulements de l'induit, mais le génie électrique
actuel a plutôt tendance à utiliser un courant alternatif triphasé.
3.4
Moteurs CA
Il existe deux types simples de moteurs conçus pour fonctionner en courant polyphasé alterné : les
moteurs synchrones et les moteurs à induction.
Le moteur synchrone peut être assimilé à un alternateur triphasé qui fonctionnerait en inversion.
Les aimants de l'inducteur sont montés sur le rotor et sont excités par un courant continu.
L'enroulement de l'induit est divisé en trois parties et alimenté en courant alternatif triphasé. La
variation de ces trois ondes de courant dans l'induit provoque une réaction magnétique des
aimants et fait tourner l'inducteur à une vitesse constante déterminée par la fréquence du courant
alternatif de l'alimentation. Les moteurs synchrones peuvent également être alimentés par une
source de puissance monophasée, si on les dote d'éléments de circuit adaptés.
Si la charge mécanique du moteur devient très importante, on évite d'utiliser un moteur
synchrone, car, s'il ralentit sous l'effet d'une contrainte, il finit par s'arrêter. On emploie alors un
moteur à induction, dont le modèle le plus simple est le moteur à cage, alimenté par un courant
triphasé. L'induit de ce moteur se compose de trois bobines fixes, comme sur un moteur
synchrone. Le rotor est constitué d'un noyau dans lequel sont insérés une série de gros
conducteurs disposés en cercle autour de l'arbre. Le courant triphasé passant dans les
enroulements de l'induit crée un champ magnétique rotatif qui induit un courant dans les
conducteurs de la cage. La réaction magnétique entre ce champ rotatif et les conducteurs du rotor
fait tourner le rotor. Si celui-ci tourne à la même vitesse que le champ magnétique, aucun courant
ne sera induit. C'est pourquoi le rotor ne doit pas tourner à une vitesse synchrone. En général, les
vitesses de rotation du rotor et du champ diffèrent d'environ 2 à 5 p. 100.