Réf BO : chap E53 Conversion Electromagnétique
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MOTORISATION ELECTRIQUE Réf BO : chap E53 Conversion Electromagnétique I- PRESENTATION : Ce cours à pour objectif de présenter les principes de fonctionnement des moteurs électriques. Il se compose de trois parties : Les machines à courant continu, les machines à courant alternatif et les moteurs pas à pas. II- MOTEUR A COURANT CONTINU : La machine à courant continu est réversible, c’est à dire qu’elle peut fonctionner en moteur et en génératrice. II-1- Rappel Forces de Laplace : La force de Laplace F est toujours perpendiculaire au courant électrique I et au vecteur induction magnétique. F = I B .l II-2- Principe : L’application de la loi de Laplace est le principe de fonctionnement du moteur à courant continu. Cette force engendre un couple pour entraîner le moteur en rotation. DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 1/9 MOTORISATION ELECTRIQUE II-3- Constitution : Le moteur est constitué d’un rotor et d’un stator. Le stator, appelé aussi inducteur, produit le champ magnétique, on parle de flux d'excitation, ce champ est créé soit à partir d'un bobinage soit à l'aide d'aimants permanents collés à l'intérieur du stator si le moteur est de petite taille de quelques Watts à une centaine. Le rotor solidaire de l'arbre appelé aussi induit reçoit le courant de puissance par l'intermédiaire du collecteur assurant avec les balais un contact glissant. D'une manière très concise on classe les constituants d'un moteur à courant continu en trois groupes. . les organes mécaniques : - deux flasques aux extrémités du stator portant l'arbre moteur sur deux roulements, - une turbine de ventilation, - un carter enveloppe du stator. . les organes électriques : - le bobinage d'induit constitué de conducteurs logés dans des encoches, - le collecteur à lames et les balais alimentant ce bobinage, - un bobinage inducteur pour créer le flux parfois remplacé par des aimants permanents. . les organes magnétiques pour canaliser le flux magnétique: - le stator avec ses pôles inducteurs, - l'induit, constitué de tôles empilées. II-4- Modélisation : Le modèle électrique du moteur à courant continu est constitué d’une fem E d’une résistance en série r et d’une inductance L II-5- Equations caractéristiques : Notations utilisées : U : tension aux bornes de l’induit I : Courant dans l’induit. E : Force électromotrice en volts. k : Constante liée à la constitution du moteur DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 n : Vitesse du moteur en Tr/mn. : Rendement du moteur : Vitesse de rotation en rd/s : Flux d’excitation en Wb 2/9 MOTORISATION ELECTRIQUE II-6- Loi d’Ohm du moteur (on néglige l’influence de L : régime purement continu) : U = E + rI Force électromotrice : E = k.n. Puissance électromagnétique Pem = T. = E.I Couple électromagnétique T = E.I / Puissance absorbée Pa= U.I (induit) Puissance mécanique et rendement Pu = Tu. et = Pu / Pa II-7- Bilan énergétique d’une MCC : II-8- Plaque signalétique : Cette plaque fixée sur tous les moteurs spécifie les valeurs du point de fonctionnement nominal . Déterminer la puissance absorbée et le rendement de ce moteur. Remarque importante : Pour changer le sens de rotation il suffit d’inverser le sens du courant dans l’induit. DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 3/9 MOTORISATION ELECTRIQUE II-9- Réversibilité et quadrants de fonctionnement : Le moteur à courant continu est réversible : de moteur il peut devenir génératrice. Cette possibilité offre au moteur un moyen de freinage très efficace. Le repère vitesse couple délimite 4 quadrants de fonctionnement. La vitesse et le couple sont l’image de la tension et du courant. Chaque quadrant définit un fonctionnement moteur ou génératrice suivant le signe de la puissance. III- MOTEUR PAS A PAS : III-1- Description : Le moteur pas à pas est actionneur mécanique où l’on contrôle - la vitesse, par la fréquence des impulsions de commande - le sens de rotation, par l’ordre de ces impulsions - l’angle de rotation par le nombre d’impulsions. Le déplacement angulaire minimal de ce moteur correspond à un pas. III-2- Principe : Deux principes différents de réalisation des moteurs pas à pas qui permettent d’obtenir trois moteurs différents. - Les moteurs pas à pas à réluctance variable. - Les moteurs pas à pas à aimants permanents. - Les moteurs pas à pas hybrides qui combinent les deux types précédents. DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 4/9 MOTORISATION ELECTRIQUE III-3- Principe de la réluctance variable : Ce principe repose sur l’énoncé suivant : Dans un circuit magnétique le flux cherche à être maximum en empruntant le circuit de moindre réluctance (comme le courant ). III-4- Principe du moteur à aimants permanents : Ce principe est basé sur le phénomène d’attraction ou de répulsion des pôles d’un aimant. Il suffit d ‘alimenter les bobines par des courants continus. S S 2 N S S 1 N I2=0 I2=1 I1=0 E1 I1=0 E1 E2 N 4 S N 3 + E1 - + S S E2 S - I2=1 I2=0 I1=1 E1 E2 I1=0 E2 III-5- Principe du moteur bipolaire et unipolaire : Un moteur est dit unipolaire lorsqu’un enroulement crée toujours un pôle de même nom ; la polarisation de l’enroulement est unique. Un moteur est dit bipolaire lorsqu’un enroulement crée soit un pôle nord soit un pôle sud selon le sens du courant DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 5/9 MOTORISATION ELECTRIQUE IV- MOTEUR SYNCHRONE TRIPHASE: Le principe du moteur asynchrone triphasé est basé sur l’expérience ci-dessous. L'expérience montre que si l'on entraîne en rotation autour d'un axe xy un aimant permanent, un disque de cuivre libre en rotation sur cet axe est entraîné en rotation, mais il tourne moins vite que l'aimant. C'est la raison pour laquelle un moteur fonctionnant selon ce principe est appelé " moteur asynchrone" car la vitesse du disque (ou rotor) est inférieure à celle du champ magnétique tournant. DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 6/9 MOTORISATION ELECTRIQUE IV-1 Constitution du moteur : Dans la réalité, l'aimant permanent tournant est remplacé par trois bobines fixes décalées de 120 degrés et alimentées par un système équilibré de trois tensions triphasées constituant le stator du moteur. La figure 16 montre le stator et le rotor d'un moteur très simplifié, d'une part les trois bobines n'occupent pas exactement cette position qui empêche de monter l'axe au centre du rotor, et d'autre part la répartition du bobinage se fait sur toute la périphérie du, l stator. Le rotor, qui remplace le disque, est constitué de barres d'aluminium (ou de cuivre) dont les extrémités sont reliées entre elles en formant une cage. Ce type de moteur porte le nom de moteur à cage d'écureuil ou de moteur à rotor en court circuit. Si au niveau du rotor les barres sont remplacées par un bobinage le moteur porte le nom de moteur à rotor bobiné IV-2- Propriétés d’un moteur asynchrone : Sens de rotation : L’inversion du sens de rotation d’un moteur asynchrone se fait en inversant deux phases de l ‘alimentation. Vitesse de rotation : La vitesse de rotation est définie par la fréquence de l’alimentation (50hz en France) et le nombre de paires de pôles du moteur. Ns = f / p DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 7/9 MOTORISATION ELECTRIQUE Glissement : le glissement représente l’écart en pour-cent entre la vitesse de synchronisme (champ tournant ) et la vitesse de rotation du rotor. G= (Ns-Nr) / Nr Puissance électrique absorbée : Pa = 3 .U.I.cos Puissance mécanique utile : Pu = Tu. Rendement : Le rendement du moteur n’est pas constant, il est maximum pour un point proche du point de fonctionnement nominal. = Pu / Pa IV-3- Couplage des moteurs asynchrones : Les moteurs asynchrones possèdent une plaque à bornes composée de trois enroulements que l’on peut coupler en étoile ou en triangle. U1 W2 V1 V2 W1 U2 Choix d’un couplage : Grâce a la manière de coupler leurs enroulements, tous les moteurs triphasés sont bi tension ; cependant il convient de ne jamais appliquer sur ces enroulements une tension supérieure à leur valeur nominale. Sur la plaque signalétique d’un moteur la première tension représente la tension nominale aux bornes d’un enroulement. Exemple : Soit un moteur 220v / 380v. quel est le couplage de ce moteur si le réseau est 220v / 380v. IV-4- Lecture de la plaque à borne : Cette plaque décrit le point de fonctionnement nominal du moteur. DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 8/9 MOTORISATION ELECTRIQUE V- MACHINES SYNCHRONES : La machine synchrone est une machine réversible c’est à dire qu’elle peut travailler aussi bien en moteur qu’en génératrice. V-1- Alternateur : Il permet de transformer de la puissance mécanique en puissance électrique. Ils sont très employés comme groupe de secours dans les hôpitaux, les hôtels … V-1-1- Principe : Un aimant ou un électro aimant alimenté en courant continu, entraîné en rotation, produit un champ magnétique tournant. V-2- Moteur synchrone : V-2-1- Principe : C’est la réversibilité de l’alternateur. Lorsque le stator d’un alternateur est branché sur le réseau, il produit un champ tournant qui entraîne les pôles du rotor alimentés en courant continu, à la vitesse de synchronisme V-2-2 Caractéristiques : Ces moteurs sont caractérisés par une vitesse rigoureusement identique à celle du synchronisme. Ces moteurs ne possédant pas de couple de démarrage il est nécessaire de les entraîner à une vitesse proche du synchronisme afin de les coupler sur le réseau. DEL FRANCO/ROMAGNAN 840909156 9/9
