Moteurs à induction monophasés

Un moteur triphasé peut fonctionner à partir d'une source d'alimentation monophasée. Cependant, il ne démarrera pas automatiquement. Il peut être démarré à la main dans les deux sens, atteignant sa vitesse en quelques secondes. Il ne développera que les 2/3 de la puissance nominale de 3 φ car un seul enroulement n'est pas utilisé.

Le moteur 3-φ fonctionne à partir d'une puissance de 1-φ mais ne démarre pas

Bobine simple d'un moteur monophasé

La bobine unique d'un moteur à induction monophasé ne produit pas de champ magnétique tournant, mais un champ pulsatoire atteignant une intensité maximale à 0° et 180° électrique.

Le stator monophasé produit un champ magnétique pulsé et non rotatif

Une autre vue est que la bobine unique excitée par un courant monophasé produit deux phaseurs de champ magnétique contrarotatifs, coïncidant deux fois par tour à 0° (figure ci-dessus-a) et 180° (figure e). Lorsque les phaseurs tournent à 90° et -90° ils s'annulent sur la figure c.

A 45° et -45° (figure b) ils sont partiellement additifs selon l'axe +x et s'annulent selon l'axe y. Une situation analogue existe dans la figure d. La somme de ces deux phaseurs est un phaseur stationnaire dans l'espace, mais de polarité alternée dans le temps. Ainsi, aucun couple de démarrage n'est développé.

Cependant, si le rotor est tourné vers l'avant à un peu moins que la vitesse synchrone, il développera un couple maximum à un glissement de 10% par rapport au phaseur de rotation vers l'avant. Moins de couple sera développé au-dessus ou en dessous de 10 % de glissement.

Le rotor verra un glissement de 200 % à 10 % par rapport au phaseur de champ magnétique contrarotatif. Un faible couple (voir la courbe couple en fonction du glissement) autre qu'une double ondulation de fréquence est développé à partir du phaseur contrarotatif. Ainsi, la bobine monophasée développera un couple, une fois le rotor démarré.

Si le rotor est démarré dans le sens inverse, il développera un couple élevé similaire à mesure qu'il s'approche de la vitesse du phaseur de rotation arrière.

Les moteurs à induction monophasés ont une cage d'écureuil en cuivre ou en aluminium intégrée dans un cylindre de tôles d'acier, typique des moteurs à induction polyphasés.

Moteur à condensateur à division permanente

Une façon de résoudre le problème monophasé consiste à construire un moteur biphasé, dérivant de l'alimentation biphasée à partir d'un monophasé. Cela nécessite un moteur à deux enroulements espacés de 90° électrique, alimenté par deux phases de courant déplacées de 90° à l'heure. C'est ce qu'on appelle un moteur à condensateur permanent.

Moteur à induction à condensateur permanent

Ce type de moteur subit une augmentation de l'intensité du courant et un décalage temporel vers l'arrière lorsque le moteur atteint sa vitesse, avec des pulsations de couple à pleine vitesse. La solution est de garder le condensateur (impédance) petit pour minimiser les pertes.

Les pertes sont moindres que pour un moteur à pôles ombrés. Cette configuration de moteur fonctionne bien jusqu'à 1/4 de puissance (200 watts), cependant, généralement appliquée aux moteurs plus petits. La direction du moteur est facilement inversée en commutant le condensateur en série avec l'autre enroulement. Ce type de moteur peut être adapté pour être utilisé comme servomoteur, décrit ailleurs dans ce chapitre.

Moteur à induction monophasé avec bobines de stator intégrées

Les moteurs à induction monophasés peuvent avoir des bobines intégrées dans le stator pour les moteurs de plus grande taille. Cependant, les plus petites tailles utilisent moins de complexes pour construire des enroulements concentrés avec des pôles saillants.

Moteur à induction à démarrage par condensateur

Dans la figure ci-dessous, un condensateur plus gros peut être utilisé pour démarrer un moteur à induction monophasé via l'enroulement auxiliaire s'il est désactivé par un interrupteur centrifuge une fois que le moteur a atteint sa vitesse. De plus, l'enroulement auxiliaire peut comporter beaucoup plus de tours de fil plus lourd que celui utilisé dans un moteur à phase séparée à résistance pour atténuer l'augmentation excessive de la température.

Le résultat est que plus de couple de démarrage est disponible pour les charges lourdes comme les compresseurs de climatisation. Cette configuration de moteur fonctionne si bien qu'elle est disponible en plusieurs puissances (plusieurs kilowatts).

Moteur à induction à démarrage par condensateur

Moteur à induction à condensateur

Une variante du moteur à démarrage par condensateur (figure ci-dessous) consiste à démarrer le moteur avec un condensateur relativement grand pour un couple de démarrage élevé, mais à laisser un condensateur de plus petite valeur en place après le démarrage pour améliorer les caractéristiques de fonctionnement tout en ne consommant pas de courant excessif. La complexité supplémentaire du moteur à condensateur est justifiée pour les moteurs de plus grande taille.

Moteur à induction à moteur à condensateur

Un condensateur de démarrage de moteur peut être un condensateur électrolytique non polaire à double anode qui pourrait être deux condensateurs électrolytiques polarisés + à + (ou - à -) connectés en série. De tels condensateurs électrolytiques ca ont des pertes si élevées qu'ils ne peuvent être utilisés que pour un service intermittent (1 seconde allumé, 60 secondes éteint) comme le démarrage du moteur.

Un condensateur pour le fonctionnement du moteur ne doit pas être de construction électrolytique, mais de type polymère à faibles pertes.

Moteur à induction à résistance diphasée

Si un enroulement auxiliaire fait beaucoup moins de spires, un fil plus petit est placé à 90° électrique à l'enroulement principal, il peut démarrer un moteur à induction monophasé. Avec une inductance plus faible et une résistance plus élevée, le courant subira moins de déphasage que l'enroulement principal.

Environ 30° de déphasage peut être obtenu. Cette bobine produit un couple de démarrage modéré, qui est déconnecté par un interrupteur centrifuge aux 3/4 de la vitesse synchrone. Cet arrangement simple (sans condensateur) convient parfaitement aux moteurs jusqu'à 1/3 de puissance (250 watts) entraînant des charges faciles à démarrer.

Moteur à induction à résistance diphasée

Ce moteur a plus de couple de démarrage qu'un moteur à pôles ombrés (section suivante), mais pas autant qu'un moteur biphasé construit à partir des mêmes pièces. La densité de courant dans l'enroulement auxiliaire est si élevée pendant le démarrage que l'augmentation rapide de la température qui en résulte empêche des redémarrages fréquents ou des charges de démarrage lentes.

Correcteur de facteur de puissance Nola

Frank Nola de la NASA a proposé un correcteur de facteur de puissance pour améliorer l'efficacité des moteurs à induction à courant alternatif au milieu des années 1970. Il est basé sur la prémisse que les moteurs à induction sont inefficaces à moins que la pleine charge. Cette inefficacité est corrélée à un faible facteur de puissance.

Le facteur de puissance inférieur à l'unité est dû au courant magnétisant requis par le stator. Ce courant fixe représente une plus grande proportion du courant total du moteur à mesure que la charge du moteur diminue. À faible charge, le courant magnétisant complet n'est pas requis. Elle pourrait être réduite en diminuant la tension appliquée, en améliorant le facteur de puissance et l'efficacité.

Le correcteur de facteur de puissance détecte le facteur de puissance et diminue la tension du moteur, rétablissant ainsi un facteur de puissance plus élevé et diminuant les pertes.

Étant donné que les moteurs monophasés sont environ 2 à 4 fois plus inefficaces que les moteurs triphasés, il existe des économies d'énergie potentielles pour les moteurs 1-φ. Il n'y a aucune économie pour un moteur à pleine charge puisque tout le courant de magnétisation du stator est requis.

La tension ne peut pas être réduite. Mais il y a des économies potentielles à partir d'un moteur moins que complètement chargé. Un moteur nominal de 117 VAC est conçu pour fonctionner jusqu'à 127 VAC, aussi bas que 104 VAC. Cela signifie qu'il n'est pas complètement chargé lorsqu'il fonctionne à plus de 104 VAC, par exemple, un réfrigérateur de 117 VAC.

Il est sûr que le contrôleur de facteur de puissance abaisse la tension de ligne à 104-110 VAC. Plus la tension de ligne initiale est élevée, plus les économies potentielles sont importantes. Bien sûr, si la compagnie d'électricité fournit plus de 110 VCA, le moteur fonctionnera plus efficacement sans aucun dispositif supplémentaire.

Tout moteur sensiblement inactif, 25 % FLC ou moins, un moteur à induction monophasé est un candidat pour un PFC. Cependant, il doit fonctionner un grand nombre d'heures par an. Et plus il tourne au ralenti, comme dans le cas d'une scie à bois, d'une poinçonneuse ou d'un convoyeur, plus grande est la possibilité de payer pour le contrôleur en quelques années de fonctionnement.

Il devrait être plus facile à payer par un facteur de trois par rapport au moteur 3-φ plus efficace. Le coût d'un PFC ne peut pas être récupéré pour un moteur fonctionnant seulement quelques heures par jour.

Résumé :Moteurs asynchrones monophasés

• Moteurs à induction monophasés ne sont pas à démarrage automatique sans un enroulement de stator auxiliaire entraîné par un courant déphasé proche de 90° . Une fois démarré, le bobinage auxiliaire est facultatif.
• L'enroulement auxiliaire d'un moteur à condensateur à split permanent a un condensateur en série avec lui pendant le démarrage et le fonctionnement.
• Un moteur à induction à démarrage par condensateur n'a qu'un condensateur en série avec l'enroulement auxiliaire lors du démarrage.
• Un moteur à condensateur a généralement un grand condensateur électrolytique non polarisé en série avec l'enroulement auxiliaire pour le démarrage, puis un plus petit condensateur non électrolytique pendant le fonctionnement.
• L'enroulement auxiliaire d'un moteur à résistance à phase séparée développe une différence de phase par rapport à l'enroulement principal lors du démarrage en raison de la différence de résistance.

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur la théorie des moteurs à courant alternatif