Moteur à courant alternatif monophasé
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L'humanité, tout comme la nature, a toujours tenté de se simplifier la vie en utilisant ce qui se trouvait à sa portée.
Ainsi, le bois a été longuement utilisé pour chauffer et pour construire, car c'était un matériau qu'on trouvait facilement.
La fourrure a servi à vêtir l'humain et à le tenir au chaud pour les mêmes raisons. Ces produits ne nécessitaient qu'un minimum de transformation.
Aujourd'hui encore, on continue de penser de la sorte (et pourquoi pas !) ; par exemple, vous savez que l'électricité arrive dans nos maisons sous la forme d'une tension sinusoïdale monophasée. Cela a pour conséquence que la majorité des moteurs électriques domestiques sont du type monophasé.
Cette étude vous présente les divers types de moteur à courant alternatif monophasé ainsi que leur principe de fonctionnement et de démarrage.
Un moteur à induction monophasé qui ne possède qu'un seul bobinage ne pourrait démarrer sans une aide extérieure.
Cependant, une fois que le moteur est en marche, il n'exige plus d'aide extérieure puisque sa rotation favorise le champ tournant nécessaire à son fonctionnement.
L'ajout d'un enroulement auxiliaire élimine ce problème de démarrage. Il existe deux montages différents pour les moteurs à phase auxiliaire soit :
- résistif ;
- capacitif.
Les moteurs à phase auxiliaire résistive possèdent deux enroulements distincts au niveau du stator. Chacun d'eux est branché à la même source de courant alternatif monophasé.
- L'enroulement principal est composé d'un grand nombre de tours de fil ou de spires avec un fil relativement gros, ce qui lui confère les caractéristiques suivantes : une résistance faible et une inductance élevée.
- L'enroulement auxiliaire, pour sa part, comprend un nombre moindre de spires, lesquelles sont faites avec un fil plus fin, ce qui se traduit par une résistance élevée et une inductance plus faible.
La figure suivante montre le schéma d'un moteur à phase auxiliaire résistive.
Phase auxiliaire résistive :
Les différences entre ces deux types d'enroulement créent deux champs séparés par un déphasage (20 à 30°).
C'est ce qui favorise un des deux champs tournants inverses nécessaire pour la rotation du moteur.
Une fois le moteur en marche, l'enroulement auxiliaire devient inutile et peut être débranché grâce à un interrupteur centrifuge.
Il est important d'ouvrir le circuit auxiliaire, car le courant que le moteur doit supporter lors du démarrage est de 6 à 7 fois supérieur à son courant nominal.
Une trop longue exposition à un courant aussi élevé endommagerait l'enroulement auxiliaire en raison du faible diamètre du fil conducteur.
L'interrupteur centrifuge doit donc ouvrir le circuit de l'enroulement auxiliaire quelque 2 à 3 secondes après le démarrage pour éviter que le conducteur ne fonde.
Ce type de moteur ressemble énormément à celui à phase auxiliaire résistive. Les principales différences qu'on peut souligner sont un plus grand nombre de spires, qui se rapproche de celui de l'enroulement principal, et l'ajout d'un condensateur en série avec l'enroulement auxiliaire, comme cela est montré à la figure ci-dessous.
Phase auxiliaire capacitive :
L'ajout du condensateur électrolytique augmente le déphasage entre les champs magnétiques créés par les enroulements auxiliaire et principal.
C'est cet ajout qui donne au moteur son plus grand couple lors du démarrage lequel sera également plus rapide. Un autre effet de l'addition du condensateur est que le courant, lors du démarrage, sera plus bas, et sera seulement que de 4 à 5 fois supérieur au courant nominal.
On peut remarquer que, dans les deux cas, la phase auxiliaire ne sert qu'au
démarrage. Cela signifie
donc que les deux moteurs sont identiques une fois qu'ils ont
atteint leur vitesse nominale.
Ce type de moteur ne peut cependant pas supporter des démarrages répétés sans qu'il y ait endommagement de l'enroulement auxiliaire. Un autre inconvénient est que le contrôle de la vitesse est peu efficace et, de ce fait, très rarement utilisé.
d. Exemples d'utilisation
Les moteurs à phase auxiliaire sont surtout employés dans le domaine domestique (moteur de machine à laver).
Quant à leur utilisation industrielle, elle se limite généralement à l'atelier, où on les retrouvent sur les petites machines-outils.
Les moteurs à condensateur permanent ressemblent fortement aux moteurs à phase auxiliaire capacitive.
Les principales différences résident:
- dans l'enroulement auxiliaire;
- dans les types de condensateur utilisés.
Ainsi, le nombre de spires de l'enroulement auxiliaire est supérieur à celui de l'enroulement principal, alors que le condensateur est non pas électrolytique mais au papier imprégné d'huile (figure ci-dessous).
Moteur à condensateur permanent :
Le moteur à condensateur permanent a pour principaux avantages sa simplicité et son fonctionnement doux. En effet, ce type de moteur est très silencieux et, contrairement aux autres moteurs monophasés, son degré de vibration est réduit.
Il a cependant pour inconvénient un couple de démarrage faible et le coût élevé du condensateur au papier imprégné d'huile le rend trop cher pour les grandes puissances. Il est donc rare qu'on rencontre un moteur à condensateur permanent qui dépasse 500 W de puissance.
En raison de sa faible puissance, le moteur à condensateur permanent trouve peu d'utilisation dans l'industrie.
Cependant, grâce à sa douceur de fonctionnement, on le retrouve dans les hôpitaux ou dans les studios radiophoniques, on les trouve également dans les actionneurs de volets roulants.
La majorité des moteurs monophasés possèdent un rotor composé d'une cage d'écureuil (figure suivante).
Cette cage est constituée d'une série de barres d'aluminium ou de cuivre qui sont reliées à chaque extrémité par des bagues.
Le champ tournant du moteur induit un courant qui, lui-même, crée un nouveau champ magnétique qui s'oppose au premier, entraînant ainsi la rotation du moteur.
Il existe plusieurs autres types de moteur à courant alternatif monophasé. Cependant, leur utilisation industrielle est très limitée en raison de leur faible puissance ; font partie de cette famille:
- le moteur à bobine écran;
- le moteur à hystérésis;
- le moteur à réluctance.
Moteur série
Le moteur série, ou moteur universel, est presque identique au moteur série à courant continu. Ainsi, ce moteur peut fonctionner avec une source de courant alternatif ou avec une source de courant continu.
Le moteur universel peut atteindre de grandes vitesses (plus de 10 000 tr/min) qui diminuent toutefois beaucoup lorsque le moteur supporte une lourde charge.
Enfin, une autre caractéristique non négligeable de ce moteur est qu'il possède un très grand couple lors du démarrage.
Toutes ces particularités en font un type de moteur utilisé dans la fabrication d'outils électriques portatifs et l'électroménager.
L'identification qui est
fréquemment utilisée pour les moteurs
monophasés est la suivante :
T1, T2, T3 et T4 pour les enroulements principaux (marche).
T5 et T8 pour les enroulements auxiliaires (démarrage).
Il importe enfin de se souvenir qu'il existe un schéma de branchement qui fournit la majorité des informations dont on a besoin pour effectuer les connexions correctement.
Vous avez vu précédemment que l'enroulement auxiliaire, qu'il soit résistif ou capacitif, ne pouvait supporter le courant que pendant une très courte période de temps.
La solution à ce problème, la plus souvent utilisée, consiste à placer un interrupteur centrifuge en série avec l'enroulement auxiliaire. Il existe également d'autres méthodes pour remplacer l'interrupteur centrifuge qui ouvre le circuit inductif selon la vitesse de rotation du moteur ; ce sont (figureci-dessous) :
- interrupteur magnétique ;
- interrupteur thermique ;
- relais temporisé.
Autres types de contrôle :
Ce type d'interrupteur fonctionne comme la bobine d'un relais.
Il suffit de mettre une bobine et un plongeur en série avec l'enroulement principal. Ainsi, lors du démarrage du moteur, le courant passant dans la bobine sera très élevé ce qui aura pour effet de faire déplacer le plongeur qui fermera alors le circuit auxiliaire (démarrage).
L'augmentation de la vitesse du moteur fait diminuer le courant entraînant par le fait même l'ouverture de l'interrupteur et l'élimination de l'enroulement auxiliaire du circuit.
L'interrupteur thermique offre une double utilité :
- ouvrir le circuit auxiliaire une fois le moteur en marche ;
- servir de protection à l'enroulement principal contre les surcharges.
Le fonctionnement de cet interrupteur est basé sur l'effet de la chaleur sur une lame bimétallique. Ainsi, la lame plie lorsqu'on la chauffe et ouvre le circuit. La lame bimétallique, en série avec l'enroulement auxiliaire, est plus sensible à la chaleur et elle ouvre le circuit de démarrage une fois le moteur en marche.
Il est à noter qu'on doit ajouter un élément chauffant qui maintient la lame ouverte pour éviter que le circuit de démarrage ne ferme.
La seconde lame bimétallique sert exclusivement à protéger le moteur contre les surcharges. Il est bon de savoir qu'on devra attendre que la lame bimétallique soit refroidie avant de procéder à un nouveau démarrage.
Vous avez déjà vu qu'il existait des relais dont les contacts ouvraient ou fermaient après un certain laps de temps.
On utilise ce type de contact normalement fermé qui ouvre l'enroulement auxiliaire avec un léger retard par rapport au démarrage du moteur. Cela permet d'isoler l'enroulement auxiliaire et d'éviter qu'il ne soit endommagé.
Inversion du sens de rotation d'un moteur monophasé
L'inversion du sens de rotation d'un moteur monophasé à enroulement auxiliaire peut se faire simplement en inversant:
- les bornes de branchement de l'enroulement auxiliaire ou de l'enroulement principal.
Lorsqu'il s'agit de moteurs à phase auxiliaire résistive ou capacitive, on doit toujours arrêter le moteur avant de procéder à l'inversion du sens de rotation.La raison en est que l'enroulement de démarrage est débranché lorsque le moteur fonctionne ce qui signifie qu'une inversion, à ce moment, de l'enroulement principal n'aurait aucun effet sur le sens de rotation du moteur.
Le moteur à condensateur permanent n'a pas ce problème, c'est-à-dire qu'il est possible d'inverser son sens de rotation même s'il est en marche, puisque les deux enroulements sont toujours en service (figure ci-dessous).
Inversion du sens de rotation :
Variation de vitesse :
Certains moteurs monophasés disposent de plusieurs vitesses fixes de fonctionnement:
- moteur de machine à laver pour le lavage et l'essorage.
Ces vitesses sont obtenues par le branchement de différents enroulements principaux et auxiliaires:
- Un enroulement principal et un enroulement auxiliaire par vitesse.
A la suite de la lecture de cette étude, vous devriez maîtriser plus particulièrement les points suivants :
- un moteur à induction monophasé qui ne possède qu'un enroulement ne peut démarrer sans aide extérieure ;
- la phase auxiliaire, résistive ou capacitive, crée le champ tournant lors du démarrage ;
- l'enroulement auxiliaire doit être débranché immédiatement après le démarrage pour éviter de l'endommager ;
- les types d'interrupteur utilisés pour ouvrir le circuit auxiliaire sont :
- centrifuge,
- magnétique,
- thermique;
- temporisé ;
- la phase auxiliaire d'un moteur à condensateur permanent n'a pas besoin d'être débranchée une fois que le moteur est en marche ;
- les moteurs monophasés possèdent en majorité un rotor qui est composé d'une cage d'écureuil ;
- l'inversion du sens de rotation d'un moteur monophasé à phase auxiliaire se fait en inversant les branchements d'une des deux phases ;
- certains moteurs possèdent plus d'un enroulement de marche, ce qui leur donne plusieurs vitesses de rotation.
Cette étude vous a permis de vous familiariser avec les principaux types de moteurs monophasés employés dans le domaine industriel ainsi qu'avec leur principe de fonctionnement.
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