Introduction aux moteurs à courant alternatif

Après l'introduction du système de distribution électrique DC par Edison aux États-Unis, une transition progressive vers le système AC plus économique a commencé. L'éclairage fonctionnait aussi bien en AC qu'en DC.

La transmission de l'énergie électrique couvrait de plus longues distances avec une perte moindre avec le courant alternatif. Cependant, les moteurs posaient problème avec le courant alternatif. Initialement, les moteurs à courant alternatif étaient construits comme des moteurs à courant continu, mais de nombreux problèmes ont été rencontrés en raison de l'évolution des champs magnétiques.

Schéma de famille de moteurs électriques à courant alternatif

Charles P. Steinmetz a contribué à résoudre ces problèmes avec son enquête sur les pertes par hystérésis dans les armatures en fer. Nikola Tesla a imaginé un tout nouveau type de moteur lorsqu'il a visualisé une turbine en rotation, non pas tournée par l'eau ou la vapeur, mais par un champ magnétique tournant.

Son nouveau type de moteur, le moteur à induction AC, est le cheval de bataille de l'industrie à ce jour. Sa robustesse et sa simplicité garantissent une longue durée de vie, une fiabilité élevée et une maintenance réduite.

Pourtant, les petits moteurs à courant alternatif à balais, similaires à la variété à courant continu, persistent dans les petits appareils avec les petits moteurs à induction Tesla. Au-dessus d'une puissance (750 W), le moteur Tesla règne en maître.

Les circuits électroniques à semi-conducteurs modernes entraînent des moteurs à courant continu sans balais avec des formes d'onde CA générées à partir d'une source CC. Le moteur à courant continu sans balais, en fait un moteur à courant alternatif, remplace le moteur à courant continu à balais conventionnel dans de nombreuses applications. Et, le moteur pas à pas , une version numérique du moteur, est entraînée par des ondes carrées à courant alternatif, encore une fois, générées par des circuits à semi-conducteurs.

La figure ci-dessus montre l'arbre généalogique des moteurs à courant alternatif décrits dans ce chapitre.

Les navires de croisière et autres grands navires remplacent les arbres de transmission à engrenages réducteurs par de grands générateurs et moteurs de plusieurs mégawatts. C'est le cas des locomotives diesel-électriques à plus petite échelle depuis de nombreuses années.

Diagramme au niveau du système moteur

Au niveau du système, (Figure ci-dessus) un moteur absorbe de l'énergie électrique en termes de différence de potentiel et de flux de courant, la convertissant en travail mécanique. Malheureusement, les moteurs électriques ne sont pas efficaces à 100 %. Une partie de l'énergie électrique est perdue en chaleur, une autre forme d'énergie, en raison des pertes I2R (également appelées pertes de cuivre) dans les enroulements du moteur.

La chaleur est un sous-produit indésirable de cette conversion. Il doit être retiré du moteur et peut nuire à la longévité. Ainsi, l'un des objectifs est de maximiser l'efficacité du moteur, en réduisant les pertes de chaleur. Les moteurs à courant alternatif présentent également des pertes non rencontrées par les moteurs à courant continu :hystérésis et courants de Foucault.

Hystérésis et courants de Foucault

Les premiers concepteurs de moteurs à courant alternatif ont rencontré des problèmes liés aux pertes uniques au magnétisme du courant alternatif. Ces problèmes ont été rencontrés lors de l'adaptation des moteurs à courant continu au fonctionnement en courant alternatif. Bien que peu de moteurs à courant alternatif ressemblent aujourd'hui aux moteurs à courant continu, ces problèmes ont dû être résolus avant que les moteurs à courant alternatif de tout type puissent être correctement conçus.

Les noyaux de rotor et de stator des moteurs à courant alternatif sont composés d'un empilement de tôles isolées. Les tôles sont enduites d'un vernis isolant avant d'être empilées et boulonnées dans la forme finale. Courants de Foucault sont minimisés en brisant la boucle conductrice potentielle en segments plus petits et moins de pertes. (Figure ci-dessous)

Les boucles de courant ressemblent à des spires secondaires de transformateur en court-circuit. Les fines tôles isolées cassent ces boucles. De plus, le silicium (un semi-conducteur) ajouté à l'alliage utilisé dans les tôles augmente la résistance électrique, ce qui diminue l'amplitude des courants de Foucault.

Courants de Foucault dans les noyaux de fer

Si les tôles sont en acier à grains orientés en alliage de silicium, hystérésis les pertes sont minimisées. L'hystérésis magnétique est un retard de l'intensité du champ magnétique par rapport à une force magnétisante. Si un clou en fer doux est temporairement magnétisé par un solénoïde, on s'attendrait à ce que le clou perde le champ magnétique une fois que le solénoïde est hors tension. Cependant, une petite quantité de magnétisation résiduelle , B_R , en raison des restes d'hystérésis (Figure ci-dessous).

Un courant alternatif doit dépenser de l'énergie, -H_C , la force coercitive , en surmontant cette magnétisation résiduelle avant de pouvoir magnétiser le noyau à zéro, encore moins dans la direction opposée.

Une perte d'hystérésis est rencontrée à chaque fois que la polarité du courant alternatif s'inverse. La perte est proportionnelle à la zone délimitée par la boucle d'hystérésis sur la courbe B-H. Les alliages de fer « doux » ont des pertes plus faibles que les alliages d'acier « durs » à haute teneur en carbone. L'acier à grains orientés de silicium, 4% de silicium, laminé pour orienter préférentiellement le grain ou la structure cristalline, présente des pertes encore plus faibles.

Courbes d'hystérésis pour alliages à faibles et fortes pertes

Une fois que la loi d'hystérésis de Steinmetz pouvait prédire les pertes du noyau de fer, il était possible de concevoir des moteurs à courant alternatif qui fonctionnaient comme prévu. Cela revenait à pouvoir concevoir à l'avance un pont qui ne s'effondrerait pas une fois qu'il serait réellement construit.

Cette connaissance des courants de Foucault et de l'hystérésis a d'abord été appliquée à la construction de moteurs à collecteur alternatif similaires à leurs homologues à courant continu. Aujourd'hui, ce n'est qu'une catégorie mineure de moteurs à courant alternatif. D'autres ont inventé de nouveaux types de moteurs à courant alternatif qui ne ressemblent guère à leurs homologues à courant continu.