Chapitre 17 Sciences Physiques - BTS Moteurs à courant continu Moteurs asynchrones 1 Loi de Laplace 1.1 Etude expérimentale Le conducteur est parcouru par un courant continu ; il est placé dans un champ magnétique. Le conducteur se déplace sur le rail. 1.2 Enoncé Tout conducteur parcouru par un courant d intensité I, placé dans un champ magnétique d induction, est soumis à une force électromagnétique appelée force de Laplace. 1.3 Caractéristiques Le sens de la force est donné par la règle des 3 doigts de la main droite : majeur = magnétisme / index = intensité / pouce = force L intensité de la force de Laplace est donnée par la formule : Le champ magnétique s exprime en tesla. 2 Courants de Foucault Lorsqu un disque métallique se déplace dans un champ magnétique, il se produit dans les masses métalliques, des courants induits appelés courants de Foucault. D après la loi de Lenz, l effet de ces courants s oppose à la cause qui leur donne naissance, c'est-à-dire à la rotation : des forces de Laplace apparaissent et provoquent le freinage. Utilisation : freinage des bus et des poids lourds système Telma Enveloppe du Bâtiment Page 1
3 Moteur à courant continu Un moteur à courant continu comporte trois organes essentiels : Le stator Le rotor Le collecteur 3.1 Le stator ou inducteur Le stator est constitué d un électroaimant à deux pôles ; la carcasse ferme le circuit magnétique. Dans certain cas, le stator est un aimant permanent. 3.2 Le rotor ou induit L induit est constitué d un cylindre présentant des encoches dans lesquelles sont logés les conducteurs droits. Enveloppe du Bâtiment Page 2
Le collecteur est constitué de lames de cuivre isolées entre elles. Deux frotteurs appelés «balais» ou «charbons» appliqués sur le collecteur assurent l alimentation des conducteurs induits. 3.3 Fonctionnement L induit est placé dans le champ magnétique créé par l inducteur. Les conducteurs droits situés dans le champ d induction sont soumis aux forces de Laplace et. Ces actions conjuguées provoquent la rotation du moteur. Lorsqu un conducteur traverse la ligne neutre, la force à laquelle il est soumis doit changer de sens de façon à ne pas interrompre la rotation ; pour cela, le sens du courant dans le conducteur doit lui-même changer : c est le rôle du collecteur. 3.4 Loi d Ohm. Force contre-électromotrice La loi d Ohm est donnée par la relation : La f.c.é.m. est donnée par la relation : Schéma équivalent de l induit Enveloppe du Bâtiment Page 3
3.5 Puissances Puissance électrique absorbée : Puissance électromagnétique : en tr/s en N.m Pertes par effet Joule : en W 3.6 Problème posé par le démarrage D après les relations précédentes : correspond au fonctionnement normal du moteur : c est l intensité nominale. Si le flux est constant, l intensité ne dépend donc que de la fréquence de rotation. Mais à l instant du démarrage,, donc : le rotor se conduit comme un résistor et l intensité est maximale. Afin de limiter les surintensités à l instant du démarrage, on place en série avec l induit un rhéostat de démarrage de résistance : 4 Moteur asynchrone triphasé 4.1 Définitions Une machine synchrone est une machine électrique : produisant un courant électrique dont la fréquence est déterminée par la vitesse de rotation de la machine : fonctionnement «générateur» (alternateur) ; absorbant un courant électrique dont la fréquence détermine la vitesse de rotation de la machine : fonctionnement «moteur». La machine asynchrone, connue également sous le terme " anglo-saxon " de machine à induction, est une machine à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui la traversent. Enveloppe du Bâtiment Page 4
La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. On les retrouve aujourd'hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), de l'industrie (machine-outil), dans l'électroménager. Elles étaient à l'origine uniquement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l'électronique de puissance, sont de plus en plus souvent utilisées en génératrice. C'est par exemple le cas dans les éoliennes. Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour les applications de puissance, au-delà de quelques kilowatts, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés 4.2 Le stator Le stator est constitué de la carcasse, sur laquelle sont montés les bobinages formant un ensemble de trois enroulements correspondants aux trois phases du réseau d alimentation. 4.3 Le rotor Le rotor est constitué de tôles d acier empilées et formant un cylindre. Il existe plusieurs types de rotors, parmi lequel le rotor dit «à cage d écureuil» comprenant des conducteurs sensiblement parallèles à son axe. 4.4 Champ magnétique tournant DU point de vue électrique, le stator est équivalent à un système de trois bobines identiques dont les axes forment des angles de 120. Le stator, alimenté en courant triphasé, crée un champ magnétique tournant : Chaque bobine crée un champ magnétique variable proportionnel au courant qui la traverse et dont le sens est lié à celui du courant dans la bobine. Si on construit le vecteur de l induction résultante à chaque instant t, on obtient un vecteur de norme constante qui tourne autour du centre des 3 bobines. Remarque : L intensité de l induction magnétique au voisinage du centre de la bobine est donnée par la relation : N : nombre de spires l : longueur du solénoïde I : intensité du courant Enveloppe du Bâtiment Page 5
Le champ tournant produit dans les masses métalliques du rotor des courants de Foucault. Ces courants induits produisent des forces électromagnétiques dont l effet tend à s opposer à la rotation de champ qui leur donne naissance : le rotor est entraîné dans le sens du champ tournant à une vitesse légèrement inférieure (glissement). SI le rotor tournait à la même vitesse que le champ (synchronisme), il n y aurait pas de courants induits. La fréquence de rotation du rotor, noté n est inférieure à la fréquence de rotation du champ appelée fréquence de synchronisme, noté n s. Cas du moteur synchrone Cas du moteur asynchrone 4.5 Fréquence de synchronisme d une machine multipolaire Sur chaque phase, deux bobines sont couplées (diamétralement opposées), de sorte que quand l une présente un pôle nord, l autre présente un pôle sud. On admet la relation : : fréquence du courant d alimentation : nombre de paire de pôles par phase Cas d un moteur bipolaire 1 paire de pôle par phase : p=1 4.6 Glissement Le glissement est le rapport de la fréquence de glissement à la fréquence de synchronisme : et sont exprimées en t/s ou t/min Enveloppe du Bâtiment Page 6
4.7 Bilan des puissances 4.7.1 Puissance électrique absorbée par le stator U : valeur efficace de la tension composée I : valeur efficace du courant de ligne : déphasage entre le courant et la tension 4.7.2 Pertes statoriques Puissance mécanique transmise Les pertes statoriques sont constituées par les pertes par effet joule notées magnétiques dans le stator appelées aussi «pertes fer» et notée et les pertes On définie ainsi la puissance transmise du stator au rotor : 4.7.3 Pertes rotoriques Les pertes rotoriques sont constituées des pertes par effet joules dues aux courants de Foucault ( ) et des pertes mécaniques dues aux frottements ( ) 4.7.4 Puissance mécanique utile Moment utile en tr/s en N.m en W 4.7.5 Rendement Le rendement du moteur est le rapport de la puissance utile indiquée sur la plaque signalétique par la puissance électrique absorbée Enveloppe du Bâtiment Page 7