Moteurs lectriques

Moteurs lectriquesPartie I Guy Gauthier ing. Ph.D.t 2011Un peu de physiqueUn conducteur dans un champ magntique est sujet une force.Cest la force de Laplace;

2F (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm2Un peu de physiqueAinsi, un cadre travers par un courant dans un champ magntique subit une force qui se traduit en un couple de rotation.

3F (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm3Un peu de physiqueIl faut gnrer un champ magntique:Cest le rle du STATOR (appel aussi inducteur) qui est la partie fixe du moteur.

Il faut un cadre mobile (en rotation) travers par un courant lectrique:Cest le rle du ROTOR (appel aussi induit) qui est la partie mobile du moteur.

4F (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm4Premire version possible de moteurLe champ magntique peut avoir une direction constante.Cela dsigne un moteur courant continu (CC).Toutefois, il y a un petit problme.5F (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm5Voici le problmeA 0, un couple fait tourner le cadre.90 plus tard, le couple est nul.180 plus tard, le couple est linverse de celui 0 .

6F (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm6Voici la solutionInverser le sens du courant chaque fois que le couple devient nul.

7F (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm7Voici la solutionCe qui se fait avec des balais (au stator) et des collecteurs (au rotor).

8Axe de rotationF (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm8Seconde version possible de moteurLe champ magntique tourne. Cela dsigne un moteur courant alternatif (CA).Comment avoir un champ magntique tournant ?Rponse venir9F (Newton)B (Tesla)I (Ampre)l (mtre)()Source image main : home.scarlet.be/lestechniques/moteur.htm9Types de moteursMoteur courant continu (CC)Rglage de vitesse facile;Point fort.Collecteur et balais alimentent linduit;Point faible, car usure.

10Types de moteursMoteur asynchrone (CA)Robuste et simple;Point fort.Deux versions:Moteur cage dcureuil.Pas de collecteurs, ni de balais.Moteur rotor bobin.Collecteur et balais alimentent linduit;Point faible, car usure.

Moteur le plus utilis11Types de moteursMoteur pas pasPetit moteur de prcision;Positionnement en boucle ouverte.Commande par impulsions.

12Les charges entranesTypes de chargeCouple rsistant parabolique;Couple rsistant hyperbolique;Couple rsistant constant;Couple rsistant linaire.

13Couple rsistant paraboliqueExemple: ventilateurs.

14Couple rsistant hyperboliqueExemple: enrouleurs de tle.

15Couple rsistant constantExemple: ascenseurs.

16Couple rsistant linaireExemple: polisseuses.

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Point de fonctionnementIntersection des caractristiques du moteur et de la charge.

18Point de fonctionnementMoteur #1 nest pas en mesure de dmarrer.

19Point de fonctionnementMoteur #2 peut dmarrer et acclrer la charge.

Couple disponible pour lacclration20Un peu de mcaniquequation mcanique dun moteur ( vide):

21Tm = couple moteur (N.m)J = inertie (kg.m2) = dplacement angulaire (rad.)f = frottement visqueux (N.m.s)

21Un peu de mcaniquequation mcanique dun moteur ( vide):

22Couple du moteurMoment dinertieFrottementAcclration angulaireVitesse angulaireTm = couple moteur (N.m)J = inertie (kg.m2) = dplacement angulaire (rad.)f = frottement visqueux (N.m.s)

22Un peu de mcaniquequation mcanique dun moteur ( vide):

23Couple du moteurMoment dinertieFrottementAcclration angulaireVitesse angulaire+ TcCouple de chargeTm = couple moteur (N.m)J = inertie (kg.m2) = dplacement angulaire (rad.)f = frottement visqueux (N.m.s)

23Souvenirs de GPA535Si le moteur entraine une charge, il faut en tenir compte:

Cette quation est valable pour un entrainement direct de la charge par le moteur.

24Tm = couple moteur (N.m)J = inertie (kg.m2) = dplacement angulaire (rad.)f = frottement visqueux (N.m.s)

24Si prsence dun engrenageEntre le moteur et sa charge:25

Relations mathmatiquesRapport des distances:

Rapport de lengrenage:

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Relations mathmatiquesRapport des angles, vitesses, acclrations:

Rapport des couples (rendement 100 %):

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Relations mathmatiquesMoment dinertie rflchit:

Moment dinertie total:

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Relations mathmatiquesCoefficient de frottement rflchit:

Coefficient de frottement total:

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Souvenirs de GPA535Si un engrenage existe entre le moteur et la charge, il aussi faut en tenir compte:

N est le rapport dengrenage.

30Tm = couple moteur (N.m)J = inertie (kg.m2) = dplacement angulaire (rad.)f = frottement visqueux (N.m.s)

30Moment dinertie dlments en translationMoment dinertie rflchit une masse m en translation une vitesse v:

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Puissance dun moteurPuissance lectrique:Produit du courant et de la tension.

Puissance mcanique:

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Couple utile (N.m)Vitesse (rd/s)Vitesse (RPM)Puissance (W)Rendement dun moteurRapport de la puissance mcanique utile vs la puissance lectrique consomme:33

Le bilan puissance dun moteur CC34

Moteur courant continu35Description technologiquelments de base36

Les balaisPoint faible:37

Types de moteurs CCMoteur excitation indpendante;Le plus flexible en terme de contrle.Moteur srie;Moteur shunt;Moteur compound.38Le stator ou linducteurGnre le champ magntique ncessaire pour faire tourner le moteur.Lintensit du champ magntique est proportionnelle au courant dans linducteur (f = field):

39Le rotor ou linduitRagit au champ magntique gnr par le rotor.Force contre lectromotrice:

Couple moteur:

40Le rotor ou linduitSimplifions lcriture et ngligeons les pertes.Force contre lectromotrice:

Couple moteur:

41Moteur excitation indpendanteTopologie lectrique

42Au niveau lectriqueMaille de linduit (rotor):

43Au niveau lectriqueMaille de linducteur (stator):

44En rgime permanentMaille de linduit (rotor):

Maille de linducteur (stator):

45Calcul de la vitesseEn isolant la vitesse dans :

Raia reprsente les pertes Joules qui peuvent tre ngliges.Raia quivaut de 2 3 % de la tension va.

46Calcul de la vitesseLa vitesse dpend de la tension va et du courant de linducteur if.Si le courant if est nul, le moteur semballe.Ce qui entrane une surintensit destructrice dans linduit.

47Deux possibilitsSoit que lon conserve le courant inducteur constant ou le courant induit constant.Moteur courant induit constant;Moteur courant inducteur constant;Moteur aimants permanents.48Calcul du couple moteur(courant induit ia constant)En utilisant le couple moteur et on trouve en solutionnant pour if:

Moteur dit puissance constante.Si le couple moteur est nul (pas de charge), il faut que la vitesse du moteur soit infini ! emballement du moteur.

49Caractristique mcanique du moteur courant induit constantTrac de la caractristique couple-vitesse:50

BilanEmballement du moteur et sur-intensit destructice dans linduit en cas de rupture dexcitation.Variation de la vitesse avec la charge.Augmentation de la vitesse en diminuant lexcitation.Semballe vide.51Calcul du couple moteur(courant inducteur if constant)En utilisant le couple moteur et on trouve en solutionnant pour ia:

Si le couple moteur est nul (pas de charge), le moteur ne semballe pas.

52Sapplique aussi au Moteur aimant permanentCaractristique mcanique du moteur courant inducteur constantTrac de la caractristique couple-vitesse:53

LinaireBilanFaibles variations de la vitesse avec la charge.Diminution de la vitesse en diminuant la tension aux bornes de linduit.Tracs parallles de la caractristique mcanique.Faible couple au dmarrage.Ne semballe pas vide.

54Moteur excitation shuntTopologie lectrique (if 0.8); Rendement lev la charge nominale;Encombrement rduit;Prix le + faible chez les moteurs induction

114Bilan pour le moteur cageGamme de vitesse restreinte au dessus de 1000 RPM;Forte intensit lectrique au dmarrage;id jusqu 8 x inNe supporte pas les dmarrages de longue dure;Dure maximale de 5 sec.Faible couple au dmarrage.

115115Surintensit de courant au dmarrage dun moteur cage:Courant nominal = 2 A.116

Moteur asynchrone triphas bagues (rotor bobin)117

Bilan pour le moteur rotor bobinPossibilit dobtenir un couple de dmarrage adapt la machine entrane;Rduction maximale de lappel de courant pendant le dmarrage;id de 1.5 2 x inPermet des dmarrages de longue dure ou frquents.

118Bilan pour le moteur rotor bobinRotor bobin plus sensible aux contraintes mcaniques centrifuges;Risques de court-circuit augments cause de lutilisation de balais (donc entretien et surveillance obligatoire);Ncessite un rhostat de dmarrage;Encombrement et prix plus lev que les moteurs cage.

119Moteurs asynchrones monophassPrincipe de fonctionnement:Le champ magntique ne tourne pas, son intensit varie de faon sinusodale.Donc, lintensit de ce champ au rotor est:120

Moteurs asynchrones monophassPrincipe de fonctionnement:Mathmatiquement, ce champ magntique est constitu de deux composantes (en appliquant la formule dEuler):

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Champ tournant dans le sens directChamp tournant dans le sens inverseMoteurs asynchrones monophassDonc le champ pulsatif du stator quivaut deux champs tournants dans le rotor.

Le couple appliqu sera la rsultante des deux couples gnrs par les champs tournants.

122Moteurs asynchrones monophassCaractristique couple-vitesse dun moteur asynchrone monophas:123

Moteurs asynchrones monophassDonc le couple au dmarrage est nul. Il faut utiliser une des mthodes suivantes pour dmarrer le moteur:Bague de dphasage;Enroulement auxiliaire de dmarrage;Moteur condensateur.

124Bague de dphasage(shaded pole motor)125

Enroulement auxiliaire de dmarrage (Split phase motor) 126

Moteur condensateur(Capacitor motor)127

Bilan - moteurs asynchrones monophassPuissance massique plus faible;Facteur de puissance plus faible;Rendement infrieur.

Limit aux moteurs de moins de 10 kW

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Moteurs universelsStructure semblable au moteur DC srie:

Performances faibles.Rendement de 20 40 %.lectromnager.

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Type de moteurCaractristiquesDomaines demploi

Excitation indpendante Grande souplesse de commande

Large gamme de vitesse

Utilis en milieu industriel associ avec un variateur lectronique de vitesse et surtout sous la forme dun moteur dasservissement-Machines-outils

(Moteur de broche,

moteur daxe).

- Machines spciales.

Type de moteurCaractristiquesDomaines demploi

Excitation shunt Vitesse constante quelle que soit la charge.-Machines-outils

- Appareils de levage (ascenceurs).

Excitation srie Dmarrage frquents avec couple lev.

Couple diminuant avec la vitesse. Engins de levage

(grues, palans,

ponts roulants)

Ventilateurs

Pompes centrifuges

Traction

Type de moteurCaractristiquesDomaines demploi

Excitation compound

additif

- soustractif Couple trs variable avec la vitesse.

Entranement de grandes inerties

- Trs peu utilis-Petits moteurs dmarrage direct.

Ventilateurs

Pompes

Machines de laminoirs

- Volants dinertie

Trains de laminoir.