1

Les moteurs électriques

Isabelle Chênerie, Patrick Ferré

chenerie@cict.fr, patrick.ferre@lget.ups-tlse.fr

2

Ces diapositives constituent le support de cours.Elles seront complétées par des démonstrations

et explications en amphi. La présence en cours est donc fortement conseillée.

3

Chapitre 1

Présentation des moteurs électriques

4

Fonction d’un moteur

moteurpuissance électrique puissance mécanique

fournie par l’alimentation électrique(puissance absorbée)

disponible sur l’arbre du moteur(puissance utile)

Pertes = puissance absorbée – puissance utile

Animation

5

BlidFdrrr

×=

Force de Laplace

Fdr

FdrB

rBr

courant courantcourant

Br

0rr

=Fd

règle des 3 doigts de la main droite : courant – champ - force

6

Principe de fonctionnement

courant

Br

Br

Fdr

Fdr

courant

0rr

=Fd

0rr

=Fd

7

Eléments de base d’un moteur

Le stator (ou inducteur) : partie fixe,produit le champ magnétique

Le rotor (ou induit) : partie mobile, en rotation

Exemple

rotor

stator

8

9

Les différents types de moteurs

• Moteur à courant continu avantage : réglage de vitesse facile

Si l’excitation est série il peut fonctionner en alternatif= moteur universel

Collecteur + balaisalimentent l’induit= point faible (usure)

Utilisation décroissante

10

Moteur asynchroneAvantage : robuste et simple

Les différents types de moteur

Alimenté en alternatif triphasé

- sans collecteur ni balais- rotor à bagues* ou à cage*utilisation décroissante

= le plus utilisé

11

Moteur pas à pas= petit moteur de précision

Les différents types de moteur

Système de commande électronique

impulsions électriques

déplacement angulaire du rotor(4 à 400 pas par tour)

12

Exemples d’utilisation

Moteur à courant continu

(batteries, piles)

Petits outils,

appareils électroportatifs sans fil

Moteur universel

(secteur)

Petit et moyen électroménager

(perceuse, aspirateur)

Moteur asynchrone

(triphasé)

Machines outils

(nettoyeurs haute pression)

Moteur pas à pas

(commande électronique)

Mécanique de précision (imprimante, lecteur CD)

13

Chapitre 2

Moteurs à courant continu

14

1 . Généralités

M

I

U E’

I

U

R

Schéma fonctionnel Schéma électrique équivalent en continu

15

1-a : 2 modes d’alimentation

Excitation séparée- inducteur = circuit indépendant (donc 2 alimentations)- alimentation continue pour l’induit

Excitation série- induit et inducteur dans le même circuit- une alimentation unique en continu

UE’

IRrotor

U

Rstator

E’

IRrotor

16

1-b : équations électriques

Loi d’Ohm

Fcem induite

RIEVU += ')(

ΦΩ= ')(' EKVE

excitation séparée : R = Rrotor

excitation série : R = Rrotor + Rstator

Φflux à travers les spires de l’induit (Wb)Ω vitesse de rotation (rad/s) K constante

(convention récepteur)

Vitesse de rotation Ω= E’ / KE’ Φ = (U-RI) /KE’ΦΩrad/s) = N(tr/mn).2/60 = n(tr/s).2

17

1-c : bilan de puissance

utilepertesabsorbée PPUIP +==

Type de pertes

effet Joule Pertes ferro-magnétiques

pertes

mécaniques

Cause

résistance induit et inducteur

hystérésis,

courants de Foucault

frottements

Remède

ventilation matériaux (Fe,Si)

feuilletage

roulements,

lubrifiants

18

Représentation schématique du bilan de puissance

Pertes fer + Pertes méca = Pertes collectives = constantepour tout point de fonctionnement

PJ

19

1-d : relation puissance - couple

P = C . Ω

Puissance = couple . vitesse

Watts = (N.m) . (Rad/s)

A tout terme de puissance on peut donc associer un couple

20

1-e : couples

Relation de définition

Couple moteur Putile = Cmot . Ω(1)

Couple de pertes

collectives

Pfer + Pméca = Cpertes . Ω(2)

Couple

électromagnétique Cemag = Cpertes + Cmot

(1): la puissance se répartit entre couple moteur et vitesse(2) : pertes constantes, mesurées par un essai à vide

(3) : Cemag = KCΦI

21

1-f : rendement

• Définition générale

Moteur à excitation série

Moteur à excitation séparée :

- inducteur à aimant permanent pas de pertes dans le circuit inducteur

- inducteur bobine pertes dans le circuit inducteur

absorbée

utile

P

P=η

UI

Cmot Ω⋅=η

inducteurJ

mot

PUI

C

+Ω⋅

=η

UI

Cmot Ω⋅=η

22

2 . Moteur à courant continuexcitation série

23

2-a équations du moteur

• Tension d’alimentation

avec

• Fcem induite

avec (machine non saturée)

Vitesse

• Couple électromagnétique

RIEU += '

ΦΩ= '' EKE

Φ−

=Ω'EK

RIU

IKC Cemag Φ=

III rotorstator ==

Alimentationsérie

Iα=Φ

24

2-b fonctionnement moteur + charge à vitesse constante

€

Crésis tan t = Cmot

pertesCtrésis CIKC −Φ=tan

régime établi ou permanent

moteurcharge

, la charge impose le courant

A vide, et si l’on néglige les pertes,

∞=Ω⇒=⇒= 00tan IC trésis

emballement du moteur

25

2-c pour régler la vitesse :

Φ−

=Ω'EK

RIU

Avec une alimentation variable il est possible de régler la vitesse.

Remarque : si la machine est peu chargée,I et Φ sont faibles,et Ω devient très important

un moteur série ne doit pas fonctionner à vide

26

2-d phases du mouvement de la charge

t

vitesse

accélération

couple d’accélération

régime établi

définit le point de fonctionnement

décélération

couple de ralentissement

accrésmot CCC +=résmot CC = ralrésmot CCC −=

27

2-e représentation couple – vitesse (caractéristique mécanique)

IKCCC Cmotpertesemag Φ=+=RIKRIEU E +ΦΩ=+= ''

Iα=Φ

pertesE

Cmot CRK

UKC −⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+Ω⋅=

2

'αα

28

Ω

Si les pertes sont négligées : R = 0 et Cpertes = 0

Cmot varie en 1/Ω2

Couple moteur élevé au démarrage, Exemple fort couple + faible vitesse (traction, laminoirs)Exemple faible couple + forte vitesse (centrifugeuse)

motC

29

3 . Moteur à courant continuexcitation séparée

30

3-a équations du moteur

• Tension d’alimentation

avec

• Fcem induite

Φest imposé par l’inducteur seul

Vitesse

• Couple électromagnétique

RIEU += '

ΦΩ= '' EKE

Φ−

=Ω'EK

RIU

IKC Cemag Φ=

rotorRR =

Alimentationséparée

31

3-b démarrage

RIEU += '

nulle au démarrage

AquelquesR

U

R

EUI 100

'≈=

−=

au démarrage il y a surintensité

Pour limiter la surintensité :

• augmenter Rrotor par un rhéostat de démarrage• démarrer à tension U faible

32

3-c pour régler la vitesse :

Φ−

=Ω'EK

RIU

Avec une alimentation variable il est possible de régler la vitesse

Remarque :

en régime permanent

trésispertesmotpertesCemag CCCCIKC tan+=+=Φ=

)( tan trésisCfI =

(et de limiter la surintensité au démarrage)

33

3-d représentation couple – vitesse (caractéristique mécanique)

IKCCC Cmotpertesemag Φ=+=

RIKRIEU E +ΦΩ=+= ''

pertesE

Cmot CR

KUKC −

ΦΩ−⋅Φ= '

motC

Ω

34

Chapitre 3

Moteur asynchrone triphasé

35

1 - Alimentation triphasée

Distribution : 3 phases 1,2,3 ou A,B,C ou R,S,T et un neutre N

Tensions simples

Tensions composées

36

1-a : Tensions simples

Equations horaires :

( )

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ +=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −=

=

3

2sin2)(

3

2sin2)(

sin2)(

3

2

1

πω

πω

ω

tVtv

tVtv

tVtv

37

Vecteurs de Fresnel :

Triphasé équilibré direct :

32

133221 ///

321

ϕϕϕ ===

===

VVVVVV

VVVV

0=Σ iV

38

Vecteurs de Fresnel

pour un système équilibré direct

1-b : Tensions composées

39

Equations horaires :

€

u12 =U 2 sin(ωt +π

6)

u23 =U 2 sin(ωt −π

2)

u31 =U 2 sin(ωt −7π

6)

40

€

U =V 3

1-c : Relation entre U et V

41

1-d : Récepteur triphasé équilibré

ii : courants de ligneji : courants dans les charges ou de phase

42

1-d : Récepteur étoile

ii JI =

Tensions et courants (récepteur étoile)

43

On pose ,

facteur de puissance

)(33

)(sin3sin3

)(cos3cos3

VAUIVIS

VArUIVIQ

WUIVIP

==

==

==

ϕϕ

ϕϕ

Ziv ϕϕϕϕ =−=ϕcos

Puissance active

Puissance réactive

Puissance apparente

Puissances (récepteur étoile)

44

Pertes par effet Joule (récepteur étoile)pour les 3 phases

€

PJ =3

2RI2 avec R = 2r

45

1-e : Récepteur triangle

Schémas électriques

46

3JI =

Vecteurs de Fresnel (récepteur triangle)

47

UIJUS

UIJUQ

UIJUP

33

sin3sin3

cos3cos3

==

==

==

ϕϕ

ϕϕ

Puissances (récepteur triangle)

On pose , facteur de puissance

Zju ϕϕϕϕ =−=ϕcos

48

Pertes par effet Joule (récepteur triangle)pour les 3 phases

€

PJ =3

2RI2

avec R = 2r/3

49

Résumé :

Couplage étoile Couplage triangle

Relation entre U et V

Relation entre I et J

Déphasage

Puissance active

Pertes Joule

Résistance équivalente

Puissance réactive

Puissance apparente

Facteur de puissance

€

U =V 3

€

U =V 3

€

I = J 3

€

I = J

( )VI ,ϕ ( )UJ ,ϕ

ϕ

ϕ

cos3

cos3

UIP

VIP

=

=

ϕ

ϕ

cos3

cos3

UIP

UJP

=

=

22

2

33 RIrIP == 22

2

33 RIrJP ==

€

R = 2r

€

R =2

3r

€

Q = 3UI sinϕ

€

Q = 3UI sinϕ

€

S = 3UI

€

S = 3UI

€

cosϕ

€

cosϕ

50

€

Qc = −CωU2

QcTot = 3Qc = −3CωU2

récepteur triangle :

Puissance active Puissance réactive Facteur de puissance

Charge seule On a

Les trois condensateurs seuls

Charge

+

condensateurs

On veut€

P

€

P€

0

€

Q = Ptgϕ

€

Q'=Q+Qc = Ptgϕ '€

Qc = −3CωU2

€

0

€

cosϕ

€

cosϕ '> cosϕ

1-f : relèvement du facteur de puissance

51

( )23

'

U

tgtgPC

ω

ϕϕ −=

Etoile :( )

2

'

U

tgtgPC

ω

ϕϕ −=

Triangle :

Formules de calcul des condensateurs :

52

2 - Moteur asynchrone triphasé

- 3 enroulements- p paires de pôles

€

ns =f

p

2-a : principe de fonctionnement

53

2-b : schémas

54

2-c : Phénomène de glissement

55

s

s

n

nng

−=Glissement : g

- à vide :

€

n = ns ⇒ g = 0

- en charge

€

n < ns ⇒ g <1

2-c : Phénomène de glissement

Ordre de grandeur : quelques %

56

2-d : Caractéristique mécanique T(n)

Zone linéaire : nT ∝

57

2-d : Caractéristique mécanique T(g)

Zone linéaire : gT ∝

58

2-e : point de fonctionnement

59

€

Pa = 3UIcosϕPuissance électrique absorbée :

Pertes par effet Joule au rotor : trJr gPP ≈Puissance utile = puissance absorbée - pertes

2-f : bilan des puissances

Pertes par effet Joule au stator :

€

PJs =3

2RI2