Cours électricité

Cours pratique avec exemples e explications sur les moteurs électriques asynchrones monophases


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Cours 5.  Moteurs électriques

1.    INTRODUCTION

2.    MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASÉS

3.

MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASÉS

4.    MOTEURS SYNCHRONES

5.    MOTEURS À COURANT CONTINU

6.    MOTEURS PAS À PAS

Ces diapositives sont nouvelles et sont en cours de révision. Il y aura donc certainement des remaniements importants d’ici au cours de mercredi 1er octobre.

5.3 Moteurs asynchrones monophasés                                                                    5.1

École Polytechnique de Montréal

 

Ex : moteur unipolaire

 

•   tout comme le moteur triphasé, des courants sont induits dans cage   d’écureuil

•   MAIS lorsque le moteur est à l’arrêt, le champ n’est pas tournant

•à l’arrêt, le rotor est soumis à forces égales mais opposées.

LE MOTOR NE PEUT PAS DEMARRER

5.3 Moteurs asynchrones monophasés                                                                    5.3

École Polytechnique de Montréal

 

Comment démarrer le moteur ?

•   objectif : créer un champ tournant de démarrage

•   pour créer un champ tournant, il suffit de deux phases décalées spatialement de 90° et parcourues par des courants déphasés

•   au plus le déphasage entre les courants est proche de 90°, au plus le champ aura une variation “circulaire” et le couple produit par le rotor sera grand et constant

5.3 Moteurs asynchrones monophasés                                                                    5.5

École Polytechnique de Montréal

 

Problème : comment créer un déphasage entre les courants de chaque bobinages ?

Solution :

–   en donnant un diamètre différent aux deux bobinages (moteurs à phase auxiliaire résistive)

ou

–   en rajoutant une capacité en série avec le bobinage de

démarrage (moteurs à phase auxiliaire capacitive)

Selon les lois de l’électricité, ces deux effets créent un déphasage de courant.

5.3 Moteurs asynchrones monophasés                                                                    5.7

École Polytechnique de Montréal

 

Moteurs à phase auxiliaire capacitive

Le couple de démarrage est donc

beaucoup plus grand .

La capacité améliore grandement le    déphasage.

École Polytechnique de Montréal5.9

                   Transmission de puissance                                                                    5. MOTEURS

Moteurs asynchrones monophasés

Moteurs à condensateur permanent

–    le bobinage auxiliaire muni d’une capacité en série, est alimenté en permanence

–    pas d’interrupteur centrifuge : moteurs moins coûteux

–    au démarrage, le déphasage de courant n’est pas optimal, le couple de démarrage est donc faible et présente des oscillations => moteurs réservés aux basses puissances

–    à pleine charge, le déphasage de courant est de 90° et les vibrations sont absentes => moteurs silencieux

5.10

Moteurs à bagues de court-circuit

•faible couple de démarrage (déphasage faible): pour tres faibles puissances

vibrations

•sens de rotation fixe

•construction tres simple et peu coûteuse

Un courant est induit dans les anneaux de cuivre (ils sont traversés par un champ magnétique variable créé par le courant du bobinage du stator). Ces courants sont déphasés par rapport au courant du stator.

L’interaction entre les flux créés par le courant circulant dans les anneaux de cuivre et le courant du bobinage du stator crée un champ tournant.

5.3 Moteurs asynchrones monophasés                                                                 5.11

École Polytechnique de Montréal

 

Choix d’un moteur monophasé

–  à phase auxiliaire résistive :

•    le plus courant, pour couples de démarrage moyens

•    démarrages peu fréquents

•    60 W- 250 W

•    pour ventilateurs, pompes centrifuges, machines à laver, brûleurs, petites machines-outils telles que des tours, des meules, etc.

–  à phase auxiliaire capacitive :

•    pour forts couples de démarrage ou charges de grandes inerties

•    0.5 kW - 8 kW

•    pour outils fixes tels scies de table, compresseurs; appareils domestiques (laveuses, séchoir à linge, équipement de ferme, convoyeurs); gros ventilateurs, des pompes à piston, etc.

5.3 Moteurs asynchrones monophasés                                                                 5.13

École Polytechnique de Montréal

 

Cours 5.  Moteurs électriques

1.    INTRODUCTION

2.    MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASÉS

3.    MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASÉS

4.

MOTEURS SYNCHRONES

5.    MOTEURS À COURANT CONTINU

6.    MOTEURS PAS À PAS

5.4 Moteurs synchrones                                                                                            5.15

École Polytechnique de Montréal

Connexions électriques :

enroulements du stator : alimentation par un systèmetriphasé équilibré de tensions, ces enroulements peuvent être connectés en étoile ou en triangle



enroulements du rotor : alimentés par du courant continu

(ou aimants permanents)

5.4 Moteurs synchrones                                                                                            5.17

École Polytechnique de Montréal

Rotors :

•  rotors à pôles lisses

•  rotors à pôles saillants

le rotor est alimenté en courant continu par un système d’anneaux et de balais (coûteux)

5.4 Moteurs synchrones                                                                                            5.19

École Polytechnique de Montréal


   

Lorsque la charge est trop importante,

le rotor décroche et s’immobilise brusquement.

 
 

Crée des

perturbations sur le réseau : tres mauvais.

Lorsque le moteur est chargé, les axes des pôles du stator et du rotor se décalent d’un angle α. α augmente avec la charge.

5.4 Moteurs synchrones                                                                                            5.21

École Polytechnique de Montréal

Démarrage du moteur synchrone

 

5.4 Moteurs synchrones                                                                                            5.23

École Polytechnique de Montréal

•   Phase de synchronisation

•   l’alimentation du rotor doit se faire lorsque stator et rotor présentent entre eux des pôles opposés

•   dans le cas contraire, le rotor subira une forte répulsion, un choc violent et ralentira!

•   Cette synchronisation s’effectue automatiquement à l’aide d’un ordinateur

5.4 Moteurs synchrones                                                                                            5.25

École Polytechnique de Montréal


–    La puissance apparente S :

   

École Polytechnique de Montréal5.27

–    Le facteur de puissance cos φ :

   

Les compagnies

d’électricité facturent

l’électricité à un taux plus

cher lorsque le facteur de puissance est bas…

Au plus le facteur de puissance est petit, au plus la puissance apparente devra être grande pour produire une même puissance active. Pour une tension d’alimentation fixée, ceci signifie des courants plus importants.

Courants plus importants = pertes plus importantes au sein des conducteurs et diminution du rendement

                                                                                                                                      5.29

École Polytechnique de Montréal

Moteurs synchrones vs. Moteurs asynchrones

•    le moteur asynchrone est lourd et encombrant pour des basses vitesses nominales

•    le rendement du moteur asynchrone diminue aux basses vitesses

   

•       le rendement du moteur synchrone est toujours élevé

•       le moteur synchrone est beaucoup moins encombrant (surtout aux vitesses inférieures à 300 rpm)

•       on peut augmenter le couple de démarrage (par la    résistance de la cage d’écureuil) sans nuire à la vitesse de pleine charge

•Le facteur de puissance du moteur synchrone est tjs réglable de façon à le rendre unitaire

5.4 Moteurs synchrones                                                                                            5.31

École Polytechnique de Montréal


Moteurs à courant continu

moteurs dont la vitesse et le couple sont facilement réglables (ne nécessitent pas beaucoup d’électronique

de commande)

pour applications où la vitesse est largement variable

(traction électrique, formage,usinage, robotique)

mais lentement délaissés au profit des moteurs à courant alternatif (suite aux progrès de l’électronique de puissance)

5.5 Moteurs à courant continu                                                                                      5.33

École Polytechnique de Montréal

Rotation du moteur

Par la loi de Lorentz, le rotor est soumis à des forces

électromagnétiques.

Ceci permet une rotation continue du rotor.

Après un demi-tour, le courant est inversé dans le circuit

d’induit et donc les forces également

5.5 Moteurs à courant continu                                                                                  5.35

École Polytechnique de Montréal

Schéma électrique équivalent du moteur à courant continu


Circuit d’induit :

• tension d’alimentation Va

• résistance du bobinage Ra

• inductance du bobinage La



• tension induite ea, dite force contreélectromotrice

5.5 Moteurs à courant continu

Circuit inducteur :

• tension d’alimentation Vf

• résistance du bobinage Rf

• inductance du bobinage Lf

5.37

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Expression du couple T

Bilan de puissance

Puissance électrique entrante :(en régime continu et en négligeant la   Pin = eaIa chute de tension dans la résistance ) :

Puissance mécanique de sortie :Pout =Temω

T

= KIa

                     Pin =Pout                                eaIa = KωIa =Tω

5.5 Moteurs à courant continu                                                                                  5.39

École Polytechnique de Montréal

 

Réglage de la vitesse

Va= RaIa+ LadIdta + Kω

•  en régime permanent le terme RaIa est négligeable

•  en régime permanent, la dérivée s’annule

•  la vitesse ωest alors la suivante : ω=Va / K

La vitesse est facilement réglable avec la tension d’alimentation de l’induit Va

5.41

École Polytechnique de Montréal

 

Marche du moteur en charge

Charge

Le moteur ralentit

La force contre-électromotrice diminue

Si la charge est trop importante, le moteur

s’immobilise, le courant devient

maximum : risque

de destruction par échauffement excessif!

Le courant d’armature augmente

Le couple augmente

La charge se met en rotation une fois le couple suffisant atteint

5.5 Moteurs à courant continu                                                                                  5.43

École Polytechnique de Montréal

                   Transmission de puissance                                                                    5. MOTEURS

Moteurs à courant continu

Démarrage

–    au démarrage, le moteur est immobile

–    la force contre-électromotrice est donc nulle

–    le courant d’induit est alors à son maximum: risque de destruction

–    pour limiter le courant de démarrage, on introduit un rhéostat de démarrage en série avec l’induit ce qui augmente sa résistance ; le rhéostat est déconnecté apres le démarrage

–    on peut également limiter le courant de démarrage à l’aide de circuits électroniques

5.44

Le moteur série

–    nous venons de voir le moteur “shunt” : circuits inducteur et série indépendants

–    il existe également le moteur “série” : dans ce cas le circuit inducteur est en série avec le circuit d’induit et le même courant circule dans les deux circuits

–    les équations fondamentales ont la même allure

5.5 Moteurs à courant continu                                                                                  5.45

École Polytechnique de Montréal

                   Transmission de puissance                                                                    5. MOTEURS

Moteurs à courant continu

Le moteur série

–    la “constante” K est en fait proportionnelle au flux

–    dans un moteur série, le couple de démarrage est important car le fort courant de démarrage parcourant le circuit d’induit ET d’inducteur crée un grand flux magnétique

–    de même, pour une forte charge, le couple sera plus important que le couple fourni par le moteur shunt

–    pour une faible charge, le courant est plus petit et donc avec lui le flux; cette diminution du flux entraîne une augmentation de la vitesse => un moteur série ne doit pas fonctionner à vide sous peine d’atteindre des vitesses excessives et risquer l’endommagement

5.46


Cours 5.  Moteurs électriques

1.    INTRODUCTION

2.    MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASÉS

3.    MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASÉS

4.    MOTEURS SYNCHRONES

5.    MOTEURS À COURANT CONTINU

6.

MOTEURS PAS À PAS

5.6 Moteurs pas à pas                                                                                              5.47

École Polytechnique de Montréal

                   Transmission de puissance                                                                    5. MOTEURS

Moteurs pas à pas

moteurs permettant la commande précise du déplacement et de la position d’un objet

évoluent par incréments discrets provoqués par impulsions de courant au stator

pas de 90°,45°,18° à quelques fractions de degrés

vitesses lentes et élevées (jusque 4000 rpm)

impulsions générées par microprocesseur

applications possibles : les traceurs x-y, les machines à écrire, les platines de magnétophones et les imprimantes.

5.48

5.49

École Polytechnique de Montréal

 

moteurs à aimants permanents

•  rotor : doté d’aimants permanents

•  reste bloqué lorsqu’on n’alimente plus le stator

•  pour couples importants

                                                                                                                                      5.51



École Polytechnique de Montréal

 

SENS 1 : A,B,C,A,… SENS 2 : A,C,B,A,

Rotation du moteur

 

École Polytechnique de Montréal5.53

 

• Enroulements  bipolaires

   

Commutateurs :

permettent

d’exciter les

bobines de 3 manières différentes

2 groupes de bobines : A1,A2 et

B1,B2

                                                                                                                                      5.55

École Polytechnique de Montréal

 

Etape

:

1

2

3

4

1

Q1 Q2

F

   

F

F

Q5 Q6

F

F

   

F

Q3 Q4

 

F

F

   

Q7 Q8

   

F

F

 

¾Excitation standard

   
 

Pas de 90 degrés Couple supérieur

 

École Polytechnique de Montréal5.57

 

• Enroulements  monopolaires

                                                                       Stator à 4 pôles              • le courant circule tjs

 

réponse

                                                                                                                                                   5.59

École Polytechnique de Montréal

 

•  couple statique

•  couple maximale dynamique

•  fréquence maximale des pas

•  fréquence limite de démarrage

•  fréquence maximale de survitesse

5.61

École Polytechnique de Montréal

 

couple maximal dynamique : couple disponible sur l’arbre lorsque les phases sont alimentées séquentiellement.

                                                                                                                                                  5.63

École Polytechnique de Montréal

 

fréquence limite de démarrage : fréquence maximale des impulsions de commande du moteur qui permettent le démarrage, l’arrêt ou le changement de sens de rotation sans perte de pas.

Cette fréquence est inversément proportionnelle à l’inertie et au couple de charge.

Définit la courbe d’accrochage

(« pull-in » curve)

5.65

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En mode de survitesse, le rotor ne s’arrête pas à chaque pas et garde son synchronisme avec les impulsions maisun arrêt brutal ne peut avoir lieu sans perte de pas.        

Pour s’arrêter sans pertes de pas, il s’agit de décélerer progressivement

dans la plage d’accélération jusqu’à la  plage de démarrage.On peut ensuite arrêter le moteur.

5.67

École Polytechnique de Montréal


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