Chapitre 5 Moteurs Electriques [PDF]

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CHAPITRE V: MOTEURS ELECTRIQUES I. Présentation Les moteurs sont des machines qui transforment l’énergie électrique (tension U, courant I) en énergie mécanique (vitesse angulaire Ω, couple C). Il existe 3 principaux types de moteurs : •

Moteur asynchrone

•

Moteur synchrone

•

Moteur à courant continu

II. Moteur asynchrone II.1. Principe Le moteur asynchrone est constitué de deux parties complètement séparées: •

Stator (inducteur) : constitué de 3 bobines décalées angulairement de 2π/3 et alimentées par un réseau triphasé équilibré. Chaque bobine, alimentée par une phase alternative, crée un champ magnétique variable. La somme des 3 champs magnétiques variables donne naissance à un champ magnétique B constant et rotatif.

-Champ magnétique résultantLa fréquence de rotation du champ magnétique B (fréquence de synchronisme) s’écrit :

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f *60 (tr / mn) p f : fréquence du réseau p : nombre des paires de pôle (une bobine represente r une paire de pôle)

ns =

La vitesse angulaire du champ hamp magnétique B s’écrit,

Ωs =

2π ns (rd/s) 60

-Stator d’un moteur asynchrone•

Rotor (induit) : constitué généralement d’une armature ure métallique en forme de cage (cage d’écureuil). Le champ magnétique rotatif généré par le stator (inducteur) engendre des courants de Foucault dans le rotor. L’action combinée du champ magnétique et des courants de Foucault donne naissance à des forces de Laplace qui entrainent en rotation le rotor.

-Rotor Rotor en cage d’écureuil soumis aux forces de LaplaceLaplace 32

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On se place dans le cas où le matériau du rotor est non aimanté. La fréquence de rotation n du rotor sera légèrement inférieur à celle ns du champ magnétique B. On introduit, alors, la notion du glissement g, g=

ns − n ⇒ n = ns (1 − g ) ns

La vitesse angulaire du rotor s’écrit,

Ω=

2π n (rd/s) 60

-Rotor d’un moteur asynchroneSi le matériau du rotor est aimanté, la fréquence de rotation n du rotor sera égale à celle du champ magnétique ns : Le moteur est dit moteur synchrone. II.2. Bilan de puissance Le bilan de puissance d’un moteur asynchrone peut être modélisé comme suit,

Pa

PEM

Stator

PMI

Rotor Cage

PJS

PFS

PJR

Rotor

Pu

Arbre de sortie PFR

PM

Pa : Puissance électrique absorbée Pa = 3UI cos ϕ

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PEM : Puissance électromagnétique transmise au rotor

PEM = Pa − ( PJS + PFS ) = CEM (

2π ns ) 60

PMI : Puissance mécanique interne

PMI = PEM − ( PJR + PFR ) = CEM (

2π n ) 60

Pu : Puissance utile

Pu = PMI − PM = Cu (

2π ns ) 60

PJS : Perte Joules du stator PFS : Pertes fer du stator PJR : Pertes Joules du rotor PFR : Pertes fer du rotor PM : Pertes mécaniques internes (frottements, vibrations,…etc.) Le rendement du moteur s’écrit,

η=

Pu Pa

II.3. Couplage des moteurs asynchrone Le couplage s’agit de la manière de branchement du moteur asynchrone au réseau électrique triphasé. La boite d’alimentation du moteur est comme suit, Phase I

Phase II Phase III

U1

V1

W2 34

W

U2

V2 NCIRI RACHED

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La plaque signalétique du moteur indique une petite tension et une grande tension. La petite tension du moteur doit s’appliquer aux bornes de chaque électroaimant (bobine). Si cette petite tension est égale à la tension simple du réseau, on adopte le couplage étoile. Phase I

Phase II Phase III

U1

V1

W

V2

U2

W2

Si la petite tension du moteur est égale à la tension composée du réseau, on choisit le couplage triangle. Phase I

Phase II Phase III

U1

V1

W2

W

U2

V2

Le tableau suivant résume les couplages adoptés en fonction des tensions du moteur et des tensions du réseau. Réseau

Moteur 127V/230V

Moteur 230V/400V

127V/230V

Etoile

Triangle

230V/400V 400V/660V

Etoile

Moteur 400V/660V

Triangle Etoile

II.4. Expression du couple Pour un moteur asynchrone, le couple utile Cu présente l’évolution suivante en fonction de la fréquence de rotation n (=60Ω/2π).

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Cu(N.m) Cu(max) Régime nominal Cu(démarrage)

U=UN f=50Hz

Cu(nominal)

N Fonctionnement à vide n (tr/s) nN ns

0 Le couple utile Cu est proportionnel au glissement g, Cu = k .g

Avec k : constante déduite à partir de la puissance et la vitesse de rotation nominales du moteur. II.5. Point de fonctionnement Le point de fonctionnement est le point où le couple utile Cu est égal au couple résistant Cr de la charge. Il est obtenu d’une manière graphique comme suit,

C(N.m)

Cu Cr Cu=Cr

Point de fonctionnement

n (tr/s) 0

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ns

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III. Moteur à courant continu III.1. Principe Le moteur à courant continu est constitué de trois parties: •

Stator (inducteur) : constitué d’un aimant permanent ou un électro-aimant (bobine) traversé par un courant continu. Cet inducteur crée un champ magnétique constant.

-Inducteur sous forme d’électroaimant-

-Inducteur sous forme d’aimant permanent-

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Rotor (induit): constitué des enroulements en de fil de cuivre montés sur un arbre et alimentés en énergie électrique. L’action combinée du champ magnétique et du courant traversant les enroulements donne naissance à des forces de Laplace qui entrainent en rotation le rotor.

-Rotor d’un moteur à courant continu•

Collecteur/balais : le collecteur est constitué des lames métalliques collées sur l’extrémité du rotor et présentant les terminaisons électriques des enroulements de l’induit. Les balais permettent de transférer l’énergie électrique aux enroulements de l’induit en se mettant en contact contre les lames du collecteur. C’est ainsi, l’ensemble collecteur/balais permet d’assurer l’alimentation électrique de l’induit en rotation.

-Ensemble collecteur/balaisIII.2. Typologie Il existe 5 types de moteur à courants continu : •

Moteur à excitation indépendante : l’alimentation électrique de l’inducteur est indépendante de celle de l’induit.

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Moteur à aimants permanents : l’inducteur est un aimant permanent. L’alimentation électrique s’applique seulement à l’induit.

•

Moteur à excitation en dérivation (Shunt) : l’inducteur est branché en parallèle avec l’induit. Certes la tension aux bornes de l’inducteur et l’induit est la même, mais le courant qui les traversent n’est pas le même.

•

Moteur à excitation en série : comme l’indique son nom, l’inducteur est en série avec l’induit. L’alimentation électrique (tension et courant) est la même pour l’inducteur et l’induit.

•

Moteur à excitation composée (compound) : c’est une combinaison entre l’excitation en dérivation et l’excitation en série.

Les deux types le plus utilisés sont les moteurs à excitation indépendante et les moteurs à excitation en série. III.3. Bilan de puissance Le bilan de puissance d’un moteur à courant continu diffère selon le type. On s’intéresse essentiellement aux deux types les plus utilisés : moteur à excitation indépendante et moteur à excitation en série. III.3.1. Moteur à excitation indépendante Le bilan de puissance se modélise comme suit,

Pa

Stator

Pu

Rotor

Rotor

Enroulements

Arbre de sortie PM

PJS

PJR PF Pc=PF+PM

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Pa = U e I e + UI

avec, U e I e = rI e2 = PJS : Puissance absorbée par l'inducteur UI =

P {c

= PF + PM =U vide I vide

+ PJR + { = RI 2

P {u

: Puissance absorbée par l'induit

= Cu Ω ( Cu =Cr )

Le rendement du moteur s’écrit,

η=

Pu Pa

III.3.2. Moteur à excitation en série Le bilan de puissance se modélise comme suit,

Pa

Pu

Rotor

Rotor

Enroulements

Arbre de sortie

Stator

PM

PF Pc=PF+PM

PJ Pa = UI =

P {c

= PM + PF =U vide I vide

+ PJ + { =( R + r ) I 2

P {u

: Puissance absorbée par le groupement inducteur-induit

=Cu Ω ( Cu =Cr )

Le rendement du moteur s’écrit,

η=

Pu Pa

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III.4. Modèle simplifié Le modèle électrique simplifié d’un moteur à courant continu diffère selon le type. On s’intéresse essentiellement aux deux types les plus utilisées : moteur à excitation indépendante et moteur à excitation en série. III.4.1. Moteur à excitation indépendante Le modèle électrique simplifié d’un moteur à excitation indépendante est comme suit,

Ie

Ue

I

R

r

Inducteur

E

U

Induit

La tension d’excitation aux bornes de l’inducteur s’écrit, U e = rI e

La tension aux bornes de l’induit s’écrit,

U = E + RI La force électromotrice E est proportionnelle à l’amplitude maximale du flux magnétique Ø et la vitesse angulaire Ω,

E = K .φ .Ω Avec K : constante qui dépend des caractéristiques de la conception du moteur. III.4.2. Moteur à excitation en série Le modèle électrique simplifiée d’un moteur à excitation en série est comme suit,

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I

Induit R

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Inducteur r

E

U

La tension aux bornes du groupement {inducteur+induit} s’écrit, U = E + (R + r) I

III.5. Expression du couple La puissance électromagnétique reçue par l’induit s’écrit, Pem = EI = Cem Ω

Le couple électromagnétique s’écrit alors,

Cem = E

I Ω

Compte tenu de l’expression de la force électromotrice E, on obtient, Cem = K φ I

Si le flux Ø est constant, le couple s’écrit, Cem = kI

Lorsque les pertes sont négligées, le couple électromagnétique devient égal au couple utile, Cem = Cu

Pour un moteur à excitation indépendante, le couple utile Cu varie linéairement en fonction de la fréquence de rotation n (=60Ω/2π).

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Cu(N.m) U : Tension d’excitation de l’induit

Au démarrage

U2>U1 U1

n (tr/s) 0

A vide Cu=0 et Ωv=U/k

Pour un moteur à excitation en série, le couple utile Cu varie exponentiellement en fonction de la fréquence de rotation n (=60Ω/2π). Cu(N.m) U : Tension d’excitation de l’induit

U2>U1 U1 n (tr/s) 0

III.6. Point de fonctionnement Le point de fonctionnement est le point où le couple utile Cu est égal au couple résistant Cr de la charge. Il est obtenu d’une manière graphique comme suit,

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Pour un moteur à excitation indépendante, C(N.m)

Cu

Cr

Cu=Cr

Point de fonctionnement n (tr/s)

0

n0

Pour un moteur à excitation en série, C(N.m)

Cu

Cr

Cu=Cr

Point de fonctionnement n (tr/s)

0

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n0

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