Moteurs à induction
Le type le plus simple de moteur à induction est représenté en coupe transversale sur la figure. Un ensemble triphasé d’enroulements statoriques est inséré dans des fentes du fer du stator. Ces enroulements peuvent être connectés soit dans une configuration en étoile, normalement sans connexion externe au point neutre, soit dans une configuration en triangle. Le rotor est constitué d’un noyau de fer cylindrique avec des conducteurs placés dans des fentes autour de la surface. Dans la forme la plus habituelle, ces conducteurs du rotor sont reliés entre eux à chaque extrémité du rotor par un anneau d’extrémité conducteur.
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La base du fonctionnement du moteur à induction peut être développée en supposant d’abord que les enroulements du stator sont connectés à une alimentation électrique triphasée et qu’un ensemble de trois courants sinusoïdaux de la forme représentée sur la figure circule dans les enroulements du stator. Cette figure montre l’effet de ces courants sur la production d’un champ magnétique dans l’entrefer de la machine pendant six instants d’un cycle. Pour simplifier, seule la boucle centrale du conducteur de chaque enroulement de phase est représentée. À l’instant t1 de la figure, le courant dans la phase a est positif au maximum, tandis que celui des phases b et c est négatif à la moitié de cette valeur. Il en résulte un champ magnétique avec une distribution approximativement sinusoïdale autour de l’entrefer avec une valeur maximale vers l’extérieur en haut et une valeur maximale vers l’intérieur en bas. Au moment t2 de la figure (c’est-à-dire un sixième de cycle plus tard), le courant dans la phase c est négatif au maximum, tandis que celui dans la phase b et la phase a est positif à moitié. Le résultat, comme indiqué pour t2 sur la figure, est à nouveau un champ magnétique distribué de manière sinusoïdale mais tourné de 60° dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. L’examen de la distribution du courant pour t3, t4, t5 et t6 montre que le champ magnétique continue de tourner au fur et à mesure que le temps avance. Le champ accomplit une révolution en un cycle des courants du stator. Ainsi, l’effet combiné de trois courants sinusoïdaux égaux, uniformément décalés dans le temps et circulant dans trois enroulements statoriques uniformément décalés en position angulaire, est de produire un champ magnétique tournant avec une magnitude constante et une vitesse angulaire mécanique qui dépend de la fréquence de l’alimentation électrique.
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Le mouvement de rotation du champ magnétique par rapport aux conducteurs du rotor provoque l’induction d’une tension dans chacun d’eux, proportionnelle à l’amplitude et à la vitesse du champ par rapport aux conducteurs. Comme les conducteurs du rotor sont court-circuités ensemble à chaque extrémité, des courants circulent dans ces conducteurs. Dans le mode de fonctionnement le plus simple, ces courants seront à peu près égaux à la tension induite divisée par la résistance du conducteur. Le schéma des courants du rotor pour l’instant t1 de la figure est illustré sur cette figure. On voit que les courants sont distribués de manière approximativement sinusoïdale autour de la périphérie du rotor et qu’ils sont situés de manière à produire un couple dans le sens inverse des aiguilles d’une montre sur le rotor (c’est-à-dire un couple dans le même sens que la rotation du champ). Ce couple agit pour accélérer le rotor et faire tourner la charge mécanique. Lorsque la vitesse de rotation du rotor augmente, sa vitesse par rapport à celle du champ tournant diminue. Ainsi, la tension induite est réduite, ce qui entraîne une réduction proportionnelle du courant conducteur du rotor et du couple. La vitesse du rotor atteint une valeur stable lorsque le couple produit par les courants du rotor est égal au couple requis à cette vitesse par la charge, sans qu’aucun couple excédentaire ne soit disponible pour accélérer l’inertie combinée de la charge et du moteur.
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La puissance de sortie mécanique doit être fournie par une puissance d’entrée électrique. Les courants statoriques d’origine représentés sur la figure sont juste suffisants pour produire le champ magnétique tournant. Pour maintenir ce champ tournant en présence des courants de rotor de la figure, il est nécessaire que les enroulements du stator portent une composante supplémentaire de courant sinusoïdal d’une amplitude et d’une phase telles qu’elles annulent l’effet du champ magnétique qui serait autrement produit par les courants de rotor de la figure. Le courant total du stator dans chaque enroulement de phase est alors la somme d’une composante sinusoïdale pour produire le champ magnétique et d’une autre sinusoïde, précédant la première d’un quart de cycle, ou 90°, pour fournir la puissance électrique requise. La deuxième composante, ou composante de puissance, du courant est en phase avec la tension appliquée au stator, tandis que la première composante, ou composante de magnétisation, est en retard d’un quart de cycle, ou 90°, sur la tension appliquée. A charge nominale, cette composante magnétisante est généralement de l’ordre de 0,4 à 0,6 de l’amplitude de la composante de puissance.
Une majorité de moteurs à induction triphasés fonctionnent avec leurs enroulements statoriques connectés directement à une alimentation électrique triphasée de tension constante et de fréquence constante. Les tensions d’alimentation typiques vont de 230 volts ligne à ligne pour les moteurs de puissance relativement faible (par exemple, 0,5 à 50 kilowatts) à environ 15 kilovolts ligne à ligne pour les moteurs de forte puissance jusqu’à environ 10 mégawatts.
À l’exception d’une petite chute de tension dans la résistance de l’enroulement statorique, la tension d’alimentation est adaptée au taux de variation temporelle du flux magnétique dans le stator de la machine. Ainsi, avec une alimentation à fréquence constante et à tension constante, l’amplitude du champ magnétique tournant est maintenue constante, et le couple est à peu près proportionnel à la composante de puissance du courant d’alimentation.
Avec le moteur à induction représenté sur les figures précédentes, le champ magnétique tourne d’un tour pour chaque cycle de la fréquence d’alimentation. Pour une alimentation de 60 hertz, la vitesse du champ est alors de 60 tours par seconde, soit 3 600 par minute. La vitesse du rotor est inférieure à la vitesse du champ d’une quantité juste suffisante pour induire la tension requise dans les conducteurs du rotor afin de produire le courant du rotor nécessaire au couple de charge. À pleine charge, la vitesse est généralement inférieure de 0,5 à 5 % à la vitesse du champ (souvent appelée vitesse synchrone), le pourcentage le plus élevé s’appliquant aux petits moteurs. Cette différence de vitesse est fréquemment appelée le glissement.
D’autres vitesses synchrones peuvent être obtenues avec une alimentation à fréquence constante en construisant une machine avec un plus grand nombre de paires de pôles magnétiques, par opposition à la construction à deux pôles de la figure. Les valeurs possibles de la vitesse du champ magnétique en tours par minute sont 120 f/p, où f est la fréquence en hertz (cycles par seconde) et p est le nombre de pôles (qui doit être un nombre pair). Un bâti en fer donné peut être bobiné pour n’importe lequel des nombreux nombres possibles de paires de pôles en utilisant des bobines qui couvrent un angle d’environ (360/p)°. Le couple disponible sur le bâti de la machine restera inchangé, puisqu’il est proportionnel au produit du champ magnétique et du courant de bobine autorisé. Ainsi, la puissance nominale du bâti, qui est le produit du couple et de la vitesse, sera à peu près inversement proportionnelle au nombre de paires de pôles. Les vitesses synchrones les plus courantes pour les moteurs de 60 hertz sont de 1 800 et 1 200 tours par minute.