Principes Fondamentaux des Machines Électriques

Machines à Courant Continu (Générateurs)

Le principe de base de la production d'énergie électrique est de générer un mouvement dans un champ magnétique pour créer un courant. Ce courant est généré lorsque les lignes de champ coupent une bobine en rotation.

En présence de deux aimants, lorsque la bobine est à son point le plus haut, le champ doit être perpendiculaire au balai. Après la mise sous tension, le courant est pratiquement nul lorsqu'il est parallèle au champ. Si la bobine continue de tourner, le courant s'inverse et arrive à la borne négative. Le courant atteint son point de puissance maximale, puis son point de maximum de courant négatif, complétant un tour.

Le Collecteur et l'Ondulation

Le collecteur (ou commutateur) d'une dynamo, démarrant avec un seul anneau et un balai, permet de maintenir le courant dans la même direction. Lorsque le nombre de spires augmente, le courant devient plus lisse et se rapproche d'un courant continu pur (réduction de l'ondulation de courant).

Configurations des Générateurs CC

Un générateur de courant continu peut être configuré de plusieurs manières. Les générateurs possèdent généralement quatre bobines sur le rotor et deux sur le stator. Les enroulements peuvent fonctionner :

• Seuls (Excitation séparée)
• En série
• En parallèle (*Shunt*)
• En composé (*Compound*), qui combine une partie de l'enroulement en série et l'autre en parallèle.

Moteurs Spécifiques et Paramètres de Vitesse

Types de Moteurs

• Moteurs *Brushless* (Sans Balais): Basés sur des moteurs CC à aimants permanents.
• Moteurs Universels: Moteurs à courant continu qui peuvent être alimentés en courant alternatif. Ils sont utilisés dans les machines à laver, etc.

Vitesse et Excitation

La tension est proportionnelle à la variation du flux magnétique. Les montages en série et en parallèle augmentent la variation de vitesse du flux. Dans les moteurs à excitation séparée, pour augmenter la vitesse, on augmente l'excitation.

• La vitesse est mesurée en tours par minute (tr/min) et est notée N ou n.
• L'excitation est une variable qui fait varier le flux (Iex).

Pour changer le sens de rotation, on peut inverser la direction des pôles en changeant le sens de rotation, en utilisant deux contacteurs pour échanger les pôles, ou en échangeant le rotor. Ces méthodes sont applicables aux montages en série, parallèle ou composé.

Principes de Fonctionnement des Moteurs à Courant

Le principe de fonctionnement des moteurs est basé sur la règle F.B.I. (Force, Champ Magnétique, Intensité). Nous avons un flux magnétique (B) et une intensité (I), ce qui génère une force (F).

Le Couple Moteur

Le couple est l'équivalent de la force dans un mouvement rotatif. C'est la force qu'un moteur est capable de fournir. Un moteur fournit un couple, et ce couple est proportionnel à la force générée. Si F = ma, plus on a de couple, plus on a d'accélération, et donc plus de puissance.

L'excitation dépend du moteur, tout comme pour les générateurs. Il est important de toujours réguler la vitesse pour éviter l'emballement.

Types de Moteurs CC et leurs Caractéristiques

Moteur Shunt (Excitation Parallèle)

Le moteur *shunt* est un montage en parallèle. On peut placer un rhéostat en série avec le rotor (inducteur), faisant ainsi varier le courant d'excitation (Iex) et donc la vitesse de sortie.

• Avantage: La vitesse est quasi constante.

Moteurs Série

Dans les moteurs série, le courant induit est égal au courant d'excitation (I induit = Iex). Le couple est très important lorsque la vitesse (N) est petite (c'est-à-dire N tend vers 0), le couple est très élevé. Ces moteurs étaient très utilisés dans les grues.

• Inconvénient: Lorsque le couple est faible, la vitesse peut atteindre des valeurs qui risquent de détruire le moteur (emballement).
• Relation: La vitesse de ce moteur dépend du couple : plus le couple est élevé, plus la vitesse est basse. À faible couple, la vitesse est très élevée.

Moteurs Composés (*Compound*)

Les moteurs composés se situent entre les deux autres types (série et shunt).

Machines Synchrones et Asynchrones

Machines Synchrones

Les machines synchrones sont celles dont la vitesse du rotor et du champ statorique est la même. L'alternateur doit toujours fonctionner à la vitesse de synchronisation avec le réseau auquel il est connecté.

Moteurs Synchrones

Les moteurs synchrones fonctionnent à la vitesse imposée par la fréquence du réseau, selon la relation entre la vitesse (N), la fréquence (f) et le nombre de paires de pôles (p). Ils sont très utiles dans l'automatisation. La vitesse utilisée est la même (vitesse de synchronisme).

Machines Asynchrones

La différence de vitesse entre le champ statorique (n1) et le rotor (n2) est appelée glissement (S = n1 - n2). Ce phénomène caractérise les moteurs asynchrones.

Lorsque vous augmentez la charge d'un moteur asynchrone, le glissement varie et la consommation d'énergie augmente.

Détails Techniques et Classification

Réaction d'Induit

Dans le moteur à induction, le flux est déformé à cause du flux magnétique créé par le courant induit, qui est perpendiculaire au flux magnétique principal créé par les pôles inducteurs. Cela provoque un phénomène analogue à celui de la dynamo, la réaction d'induit, qui a pour particularité de déplacer la ligne neutre dans le sens de rotation.

Principe de Fonctionnement du Moteur CC

Un moteur à courant continu est essentiellement une dynamo fonctionnant en régime inverse. Il est relié à une tension d'alimentation, ce qui provoque le passage d'un courant et l'apparition d'un couple électromagnétique induit. La rotation du moteur produit une force contre-électromotrice (FCEM) qui s'oppose à la tension d'alimentation.

Le sens du courant dans la bobine s'inverse à chaque demi-tour, lorsque le conducteur traverse la ligne neutre. Ceci est obtenu en modifiant le contact du balai avec le collecteur.

Principe de Fonctionnement des Machines Synchrones

L'excitateur CC alimente le rotor et crée un champ magnétique. Le rotor tourne à la vitesse synchrone (N tr/min). Le champ magnétique tournant du rotor interagit avec le champ magnétique tournant du stator (alimenté par un CA), produisant une force tangentielle, et donc un couple dans le sens de rotation.

Moteur Monophasé à Induction

Son fonctionnement est le même que celui des moteurs à induction asynchrones. Ce groupe comprend les moteurs suivants :

1. À pôle auxiliaire ou dit à phase auxiliaire (*split-phase*).
2. À condensateur.
3. À bague de court-circuit ou dits à pôles *fendus*.

Moteur Monophasé à Collecteur

Ces moteurs sont similaires aux moteurs à courant continu en ce qui concerne leur fonctionnement. Il existe deux types :

1. Universel.
2. À Répulsion.

Machines Asynchrones (Généralités)

Contrairement aux machines synchrones, qui sont normalement utilisées comme générateurs, les machines asynchrones ont trouvé leur application principale en tant que moteurs, en raison de la simplicité de leur construction. Le moteur triphasé asynchrone est aujourd'hui le moteur d'entraînement habituel dans tous les réseaux de distribution.

Classification des Machines

Les machines peuvent être classées comme suit :

• Moteurs à Courant Continu (CC)
• Moteurs Universels (Alimentés en courant alternatif)
• Moteurs Synchrones
  • À rotor bobiné
  • À hystérésis
  • À réluctance
• Moteurs Asynchrones (Induction)
  • Triphasés
  • Monophasés (Démarrage par condensateur, par pôles auxiliaires, ou à bague de court-circuit)

Production de Courant Alternatif (CA)

Lorsqu'une boucle rectangulaire tourne entre les masses polaires d'un électro-aimant, les conducteurs coupent le champ magnétique inducteur fixe. Une force électromotrice (f.é.m.) induite est générée, dont la valeur et le sens varient à chaque instant selon la position. Les bornes de la bobine sont reliées à des anneaux conducteurs, où deux balais recueillent le courant induit fourni au circuit extérieur. Pour déterminer le sens du courant induit, on utilise la règle des trois doigts de la main droite (règle de Fleming).

Couple Électromagnétique

Au niveau des conducteurs du rotor, des forces électromagnétiques apparaissent, produisant une paire de forces (couple). Ce couple fait tourner le rotor pour déplacer la charge mécanique.