Conception de moteurs polyphasés

Moteurs AC

L'avantage le plus important du courant alternatif polyphasé par rapport au courant monophasé est peut-être la conception et le fonctionnement des moteurs à courant alternatif.

Comme nous l'avons étudié dans le premier chapitre de ce livre, certains types de moteurs à courant alternatif sont de construction pratiquement identiques à leurs homologues d'alternateur (générateur), constitués d'enroulements de fil stationnaires et d'un ensemble d'aimants rotatifs. (Les autres conceptions de moteurs à courant alternatif ne sont pas aussi simples, mais nous laisserons ces détails à une autre leçon).

Fonctionnement du moteur à courant alternatif dans le sens des aiguilles d'une montre.

Si l'aimant rotatif est capable de suivre la fréquence du courant alternatif alimentant les enroulements de l'électro-aimant (bobines), il continuera à être tiré dans le sens des aiguilles d'une montre. (Figure ci-dessus)

Cependant, le sens des aiguilles d'une montre n'est pas le seul sens valide pour la rotation de l'arbre de ce moteur. Il pourrait tout aussi bien être alimenté dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par la même forme d'onde de tension alternative que dans la figure ci-dessous.

Fonctionnement du moteur à courant alternatif dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Démarrage des moteurs à courant alternatif

Notez qu'avec exactement la même séquence de cycles de polarité (tension, courant et pôles magnétiques produits par les bobines), le rotor magnétique peut tourner dans les deux sens.

C'est un trait commun à tous les moteurs monophasés « à induction » et « synchrones » :ils n'ont pas de sens de rotation normal ou « correct ». La question naturelle devrait se poser à ce stade :comment le moteur peut-il démarrer dans la direction prévue s'il peut tout aussi bien fonctionner dans les deux sens ?

La réponse est que ces moteurs ont besoin d'un peu d'aide pour démarrer. Une fois aidé à tourner dans une direction particulière. ils continueront à tourner de cette façon tant que le courant alternatif est maintenu dans les enroulements.

L'origine de cette « aide » pour qu'un moteur à courant alternatif monophasé démarre dans une direction peut varier.

Habituellement, il provient d'un ensemble supplémentaire d'enroulements positionnés différemment de l'ensemble principal et alimentés par une tension alternative déphasée par rapport à l'alimentation principale. (Figure ci-dessous)

Moteur biphasé à démarrage unidirectionnel.

Ces bobines supplémentaires sont typiquement connectées en série avec un condensateur pour introduire un déphasage de courant entre les deux ensembles d'enroulements. (Figure ci-dessous)

Le déphasage du condensateur ajoute la deuxième phase.

Ce déphasage crée des champs magnétiques des bobines 2a et 2b qui sont également en décalage avec les champs des bobines 1a et 1b.

Le résultat est un ensemble de champs magnétiques avec une rotation de phase définie. C'est cette rotation de phase qui entraîne l'aimant en rotation dans une direction définie.

Démarrage des moteurs à courant alternatif polyphasés

Les moteurs à courant alternatif polyphasés ne nécessitent pas une telle astuce pour tourner dans une direction définie. Étant donné que leurs formes d'onde de tension d'alimentation ont déjà une séquence de rotation définie, il en va de même pour les champs magnétiques respectifs générés par les enroulements stationnaires du moteur.

En fait, la combinaison de tous les ensembles d'enroulements triphasés crée ce que l'on appelle souvent un champ magnétique tournant . C'est ce concept de champ magnétique tournant qui a inspiré Nikola Tesla à concevoir les premiers systèmes électriques polyphasés au monde (simplement pour créer des moteurs plus simples et plus efficaces).

Le courant de ligne et les avantages de sécurité de l'alimentation polyphasée par rapport à l'alimentation monophasée ont été découverts plus tard.

Analogie des guirlandes lumineuses

Ce qui peut être un concept déroutant est rendu beaucoup plus clair grâce à l'analogie.

Avez-vous déjà vu une rangée d'ampoules clignotantes comme celles utilisées dans les décorations de Noël ? Certaines ficelles semblent « bouger » dans une direction définie alors que les ampoules brillent et s'assombrissent alternativement en séquence. Les autres cordes clignotent simplement sans mouvement apparent. Qu'est-ce qui fait la différence entre les deux types de guirlandes d'ampoules ?

Réponse :déphasage !

Examinez une guirlande lumineuse où une ampoule sur deux est allumée à un moment donné, comme dans (Figure ci-dessous)

Séquence de phases 1-2-1-2 :les lampes semblent bouger.

Lorsque toutes les ampoules « 1 » sont allumées, les ampoules « 2 » sont sombres, et vice versa. Avec cette séquence de clignotement, il n'y a pas de « mouvement » défini vers la lumière des ampoules.

Vos yeux pourraient suivre un « mouvement » de gauche à droite aussi facilement que de droite à gauche. Techniquement, les séquences de clignotement des ampoules « 1 » et « 2 » sont déphasées de 180 ° (exactement en face l'une de l'autre).

Ceci est analogue au moteur à courant alternatif monophasé, qui peut fonctionner aussi facilement dans les deux sens, mais qui ne peut pas démarrer tout seul parce que son alternance de champ magnétique n'a pas de « rotation » définie.

Examinons maintenant une guirlande lumineuse où il y a trois ensembles d'ampoules à séquencer au lieu de seulement deux, et ces trois ensembles sont également déphasés les uns par rapport aux autres dans la figure ci-dessous.

Séquence de phases :1-2-3 :les ampoules semblent se déplacer de gauche à droite.

Si la séquence d'éclairage est 1-2-3 (la séquence est illustrée dans (Figure ci-dessus)), les ampoules sembleront « bouger » de gauche à droite.

Analogie des guirlandes lumineuses circulaires

Imaginez maintenant cette chaîne d'ampoules clignotantes disposées en cercle comme dans la figure ci-dessous.

Disposition circulaire ; les ampoules semblent tourner dans le sens des aiguilles d'une montre.

Maintenant, les lumières de la figure ci-dessus semblent « se déplacer » dans le sens des aiguilles d'une montre, car elles sont disposées autour d'un cercle au lieu d'une ligne droite.

Il n'est pas surprenant que l'apparence du mouvement s'inverse si la séquence de phase des ampoules est inversée.

Le motif clignotant semblera se déplacer dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse selon la séquence de phases.

Ceci est analogue à un moteur à courant alternatif triphasé avec trois ensembles d'enroulements alimentés par des sources de tension de trois déphasages différents dans la figure ci-dessous.

Moteur à courant alternatif triphasé :une séquence de phases de 1-2-3 fait tourner l'aimant dans le sens des aiguilles d'une montre, 3-2-1 fait tourner l'aimant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Avec des déphasages inférieurs à 180°, on obtient une véritable rotation du champ magnétique. Avec les moteurs monophasés, le champ magnétique tournant nécessaire à l'auto-démarrage doit être créé par déphasage capacitif. Avec les moteurs polyphasés, les déphasages nécessaires sont déjà là.

De plus, le sens de rotation de l'arbre pour les moteurs polyphasés est très facilement inversé :il suffit d'échanger deux fils « chauds » allant au moteur, et il fonctionnera dans le sens opposé !

AVIS :

• Les moteurs à courant alternatif « à induction » et « synchrones » fonctionnent en faisant suivre à un aimant rotatif les champs magnétiques alternatifs produits par les enroulements de fil stationnaires.
• Les moteurs à courant alternatif monophasés de ce type ont besoin d'aide pour commencer à tourner dans une direction particulière.
• En introduisant un déphasage inférieur à 180 ° aux champs magnétiques dans un tel moteur, un sens défini de rotation de l'arbre peut être établi.
• Les moteurs à induction monophasés utilisent souvent un enroulement auxiliaire connecté en série avec un condensateur pour créer le déphasage nécessaire.
• Les moteurs polyphasés n'ont pas besoin de telles mesures ; leur sens de rotation est fixé par l'ordre des phases de la tension qui les alimente.
• L'échange de deux fils « chauds » sur un moteur à courant alternatif polyphasé inversera sa séquence de phases, inversant ainsi la rotation de son arbre.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur la théorie des moteurs à courant alternatif
• Fiche de travail sur les systèmes d'alimentation polyphasés