Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
M

moteur électrique (suite)

• Diagramme de fonctionnement. Pour l’un des circuits du stator d’un alternateur polyphasé, la loi d’Ohm peut s’écrire :

Dans cette relation, représente la tension d’une phase du réseau, la force contre-électromotrice de la machine, R la résistance du circuit stator considéré, L l’inductance du même circuit. Le terme très petit devant a une influence négligeable. On a donc pratiquement :

Dessinons le diagramme de Fresnel représentant cette relation (fig. 6). Menons par A la parallèle à OB. Soit B′ l’intersection de cette droite avec la perpendiculaire en B à OB. Le déphasage φ de la tension et du courant se retrouve en La longueur de BB′ est ainsi BB′ = LωI cos φ. BB′ est donc proportionnel à I cos φ. Si la tension d’alimentation U est constante, cette longueur représente la puissance active absorbée par le moteur, donc également le couple moteur C puisque P = 2πn.C (la vitesse n est ici constante). Pour un couple résistant donné, la longueur BB′ est donc fixée. U étant constant, OBB′ sont des points fixes du diagramme. Suivant la valeur de E′, réglable en modifiant le courant d’excitation, deux cas peuvent se présenter. Si E′ < U, le diagramme est celui qui est représenté sur la figure 6. I est en retard sur U, le moteur absorbe de l’énergie réactive, il est équivalent à un récepteur inductif. Si au contraire E′ > U, le courant absorbé est en avance sur la tension. Le moteur fournit de l’énergie réactive au réseau. Cette propriété est très intéressante, car elle permet de relever le facteur de puissance d’une installation. L’Électricité de France utilise même de telles machines tournant à vide dans le seul but d’obtenir une amélioration du facteur de puissance au bout de longues lignes inductives. Ces machines fonctionnent alors en « compensateurs synchrones ».

• Démarrage. Utilisations. Pour faire démarrer un moteur synchrone, on peut fermer son enroulement rotorique sur lui-même. La machine se comporte alors comme un moteur asynchrone et peut atteindre une vitesse très voisine de celle du synchronisme. On peut également utiliser une machine auxiliaire, la machine excitatrice montée en bout d’arbre par exemple. Le démarrage n’est possible dans tous les cas qu’en fonctionnement à vide. Le moteur synchrone possède un rendement excellent ; cependant ses inconvénients sont tels que l’on ne l’utilise plus guère qu’en compensateur synchrone et dans quelques applications particulières (puissances très grandes : pompes, compresseurs, métiers à tisser ; puissances très faibles : horloges).


Moteur asynchrone

Le stator de ce moteur est comme dans le cas précédent une armature à enroulement triphasé identique à celle d’un alternateur. Son rôle est toujours la production d’un champ tournant. Le rotor est constitué soit d’un enroulement fermé sur lui-même (moteur à bagues), soit d’une « cage d’écureuil ». La cage d’écureuil est formée de deux disques de cuivre (ou d’aluminium) centrés sur l’axe du rotor, réunis entre eux par des barres de cuivre massif (fig. 7). Dans les deux cas, l’enroulement actif est porté par une armature ferromagnétique identique à celle d’une dynamo. Dans son fonctionnement normal, le rotor tourne à une vitesse légèrement inférieure à celle du synchronisme. On dit qu’il y a glissement. On appelle glissement le rapport

En marche normale, g varie de 3 à 5 p. 100.

• Couple et vitesse. La figure 8 montre l’allure typique de la caractéristique mécanique (couple en fonction de la vitesse) de ce moteur. La partie de cette courbe utilisée en fonctionnement normal est la zone AB. Dans sa partie utile, la caractéristique mécanique d’un moteur asynchrone est très semblable à celle d’un moteur shunt à courant continu, elle est autorégulatrice de vitesse. Les applications de ce type de machine sont donc les mêmes que celles du moteur shunt à courant continu. Par rapport à ce dernier, le moteur asynchrone présente de nombreux avantages. Il est très simple à utiliser puisqu’on peut le connecter directement à un réseau de courant alternatif. Il est particulièrement robuste et peu coûteux (moteur à cage surtout). Il ne nécessite pratiquement aucun entretien (pas de collecteur). C’est donc le type de moteur le plus utilisé. Il existe pour des puissances comprises entre 0,1 et 40 kW en rotor à cage d’écureuil et jusqu’à plusieurs milliers de kilowatts avec rotor à bagues.

Notons enfin que la vitesse de fonctionnement n’est pas réglable en modifiant la tension d’alimentation comme pour le moteur shunt à courant continu. Elle doit en effet toujours rester voisine de la vitesse de synchronisme imposée ; par la fréquence du réseau d’alimentation et le type du bobinage statorique. Rappelons qu’un enroulement statorique bipolaire produit un champ tournant dont la vitesse correspond à un tour complet pour chaque période du réseau (ce qui donne une vitesse de 3 000 tr/mn pour un réseau à 50 Hz). Ainsi un enroulement statorique à 2p pôles fournit un champ dont la vitesse est p fois plus petite (1 500 tr/mn pour 4 pôles, 1 000 tr/mn pour 6 pôles, etc.).

• Démarrage. Les petits moteurs à cage démarrent sans artifice, bien que le courant appelé au décollage soit très important (3 à 4 fois le courant nominal). Pour les grosses machines, on insère dans le circuit rotorique des résistances. On utilise également la commutation étoile-triangle des enroulements statoriques. Le montage en étoile permet en effet de réduire temporairement à la tension appliquée à chaque phase, le courant absorbé étant alors, pour chaque fil de ligne, 1/3 de celui qui est absorbé en triangle.


Autres types de moteurs à courant alternatif

• Le moteur asynchrone monophasé. On ne peut obtenir un champ tournant avec une armature monophasée. Le champ produit est alternatif sinusoïdal. On démontre cependant (théorème de Leblanc) qu’un tel champ est équivalent à deux champs de même intensité tournant à la même vitesse en sens inverses. Si on lance à une vitesse voisine de celle du synchronisme le rotor d’un moteur asynchrone monophasé, le couple moteur dû au champ tournant dans le même sens est beaucoup plus grand que le couple entraînant le rotor en sens inverse. Le rotor continue donc à tourner et peut même fournir un couple moteur important. De tels moteurs sont souvent utilisés pour des puissances de l’ordre du kilowatt (électroménager). Le démarrage est en général obtenu en augmentant l’intensité d’un des deux champs tournants par l’intermédiaire d’un enroulement auxiliaire appelé phase de démarrage. Cet enroulement est alimenté par un condensateur qui permet de décaler le courant auxiliaire d’un angle voisin de par rapport au courant principal.