VII) GENERATEUR ET MOTEUR A COURANT ALTERNATIF(moteur universel non compris)

1) DYNAMO DE VÉLO DONT LE ROTOR EST UN AIMANT PERMANENT (c.a.d un alternateur)

Dynamo SOUBITEZ

"dynamo" alternateur de vélo 6V produisant du courant alternatif de marque SOUBITEZ.
L'aimant cylindrique à polarisation diamétrale en céramique noir tourne au-dessus du bobinage fixe surmonté de 8 lamelles polaires.


Différents positionnements de l'aimant et de la bobine d'induction de la "dynamo" magnéto alternateur de vélo avec aimant permanent au rotor:


L' aimant de l'alternateur peut faire un mouvement de va-et-vient, tourner autour, à l'intérieur ou au-dessus d'une bobine(s). Dans tous ces cas le bobinage subit alternativement le champ magnétique des différents pôles de l'aimant et cela crée un courant alternatif dans la bobine. La "dynamo" magnéto de vélo de ce type produit du courant alternatif, c'est un alternateur.
L’avantage est qu'il n'y a pas de balais (charbon) et de collecteur.



Une dynamo produit du courant électrique continu et un alternateur de l'alternatif.



2) le rotor est un électroaimant alimenté en courant continu (L'ALTERNATEUR DE VOITURE)


L'électroaimant du rotor avec un collecteur à bague d'un alternateur est alimenté en courant continue pour induire au stator du courant alternatif qui dans la plus part des cas est triphasé.


L’alternateur de voiture fonctionne comme la "dynamo" alternateur de vélo avec aimant au rotor.




Courant alternatif non redressé des trois phases d'un alternateur

Le courant alternatif de l’alternateur de voiture redressé par les ponts de diodes


a) Schémas électrique d'alternateur automobile
a1) Alternateur à une fiche D+

a2) Alternateur à 2 fiches, D+ et L

b) Différences entre l'alternateur de voiture et celui de vélo :
- Le rotor est un électroaimant (roue polaire) d'une seule bobine alimenté en courant électrique continu. D’où la nécessité de balais (charbons) et d'un collecteur à bagues pour alimenter en électricité l'électroaimant du rotor.
- Trois enroulements Branchés en triangle au stator.
- Le courant alternatif produit par l’alternateur de voiture et redressé en courant continu par des ponts de diodes et un régulateur permet de gérer la production électrique suivant la demande à l'aide d'une diode Zener et de transistors.

Le mauvais point de l’alternateur de voiture sont les charbons (balais) pour alimenter l’enroulement du rotor en courant continu qui imposent du frottement et donc l'usure du collecteur à bagues et des charbons.


3) synchronisme:


Un aimant tourne autour d'une boussole (aiguille aimantée). L'aiguille aimantée tourne en même temps que l'aimant, ils sont synchrones.


4) champ magnétique tournant:[/u]


L'aimant tournant pour réaliser le synchronisme est remplacé par des électroaimants (bobines) fixes branchées en étoile ou en triangle et alimentées en courant alternatif triphasé.


triphasé dans le stator (les bobines) créent un champ magnétique tournant. Le champ magnétique tournant de trois bobines alimentées en courants alternatifs triphasé fait tourner la boussole (aiguille aimantée).
Le déphasage de 120° entre les trois tensions (phases) qui alimentent les trois bobinages également disposés à 120°, est à l'origine du champ tournant.

La vitesse de rotation du champ tournant dépend de la fréquence du courant alternatif (la fréquence constante du réseau électrique est de 50 Hertz) et du nombre de pôles, moins il y a de pôle plus il va vite.

la vitesse de rotation d'un moteur, c'est la fréquence diviser par le nombre de pôles. V(tr/s)= F / P



5) "DYNAMO" DE VÉLO DONT LE ROTOR EST UN AIMANT PERMANENT (c.a.d un alternateur) DEVIENT MOTEUR[u]

Il s'appelle alors moteurs synchrones à aimants ou moteur brushless (sans balais)

Le moteur synchrone (brushless) n'est pas utilisé depuis longtemps, car il y avait deux gros problèmes à sont application.
- Le moteur synchrone ne fonctionne pas avec du courant continu, il lui faut du courant alternatif triphasé au stator pour créé le champs magnétique tournant.
- la taille du rotor dans le stator limite la grandeur de l'aimant et donc sa puissance.

Actuellement, ces deux problèmes sont résolus.
- Le courant continu est transformé en alternatif triphasé pour créé le champs magnétique tournant du stator par une sorte d'onduleur qui est appelé spécifiquement contrôleur. Il permet aussi de gérer la vitesse et la puissance. Le contrôleur peut être accompagné de capteurs hall sur le moteur qui indiquent la position exacte du rotor. Il est alors dit moteurs brushless "sensor". Lorsqu'il n'y a pas de capteur hall il est appelé Moteurs brushless sensorless. Les avantages d'avoir des capteurs hall sont de permettre au contrôleur de gérer efficassement les phases de démarrage et de bas régime du moteur.
- la taille du rotor est largement agrandi en le plaçant à l'extérieur, ce qui permet de mettre un grand nombre d'aimant. C'est le moteur à rotor externe

Aujourd'hui, le moteur synchrone alimenté à partir de courant continu (brushless) est en passe d’être très utilisé, puisque c'est lui que l'on retrouve dans le vélo électrique, le scooter électrique, la voiture hybride et électrique, soit tous les véhicules électriques en général.



moteur brushless de vélo électrique

6) L’ALTERNATEUR AUTOMOBILE DEVIENT MOTEUR SYNCHRONE

a) BRANCHEMENT D'UN ALTERNATEUR DE VOITURE POUR EN FAIRE UN MOTEUR SYNCHRONE TRIPHASÉ
(Principe de fonctionnement du moteur synchrone)


L'alternateur de voiture possède trois enroulements différents au stator.C'est un moteur synchrone triphasé, il faut le branché en retirant les ponts de diodes. Le rotor est alimenté en courant continu en retirant le régulateur.



MONTAGE ETOILE DU STATOR

MONTAGE TRIANGLE DU STATOR

Un alternateur de voiture 12V est un moteur synchrone triphasé. Pour un branchement étoile du stator il doit être alimenté par 3 phases différentes de 24V alternatif. Pour un branchement triangle du stator il doit être alimenté par 3 phases différentes de 12V alternatif.
Le rotor est alimenté en courant continu 12V.

La vitesse de rotation d'un moteur synchrone dépend de la fréquence (Hertz) du champ tournant et du nombre de pôles, moins il y a de pôle plus il va vite.
La vitesse de rotation d'un moteur synchrone, c'est la fréquence diviser par le nombre de pôles. V(tr/s)= F / P


b) Démarrage moteur synchrone


MOTEUR INDUSTRIEL SYNCHRONE TRIPHASÉ. Les balais et les bagues du collecteur au rotor sont bien visible

Un moteur synchrone soumit à un champ tournant constant (fréquence constante du réseau 50 Hertz) ne peut pas démarré seul, car le rotor ne peut pas atteindre seul la vitesse de rotation du champ tournant pour se synchroniser avec lui.

Pour démarrer un moteur synchrone et permettre au rotor d'atteindre la vitesse de rotation du champ tournant, il peut être utilisé :
- un variateur de fréquence pour augmenter progressivement la fréquence du champ tournant.
- Un moteur (asynchrone) auxiliaire qui va servir de démarreur pour que le rotor accède à la vitesse du champ tournant (fréquence constante du réseau 50 Hertz).


La machine synchrone à courant alternatif triphasé est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant continu.
Son rendement est proche de 99%.
On peut régler son facteur de puissance cos φ en modifiant le courant d’excitation.
Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire.
Il faut une excitation en courant continu pour le rotor.
Si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête.


7) Le moteur synchrone devient asynchrone

a) Principe de fonctionement du moteur asynchrone
Dans le moteur asynchrone les enroulements (les électroaimants) du rotor sont remplacés par une cage d’écureuil constituée de bobinages de cuivre en court-circuit.

Ou le plus généralement par une cage d’écureuil en aluminium remplie de fer blanc.


Moteur asynchrone triphasé

Dans la cage d’écureuil du rotor du moteur asynchrone, l'aluminium ou le cuivre ne s'aimantent pas, ils sont amagnétique et le fer blanc reste aimanté seulement le temps ou il est soumit à un champs magnétique.

Expérience: Un aimant tourne au-dessus d'un disque en matière conductrice amagnétique


L'aimant tournant au-dessus du disque en matière conductrice amagnétique (cuivre, aluminium...), fait tourner le disque avec un léger retard.

La variation au cours du temps d'un champ magnétique (l'aimant) induit dans une masse conductrice (le disque en cuivre, aluminium...) des courants électriques (courants de Foucault).
loi de Lenz: Le courant induit s'oppose par ses effets à la cause qui lui donne naissance.


Soit, le disque en matière conductrice amagnétique (cuivre, aluminium...) est entraîné en rotation avec un léger retard par ses transformations en "électroaimants" (créés par les courants induits (courants de FOUCAULT) sous l'effet de la rotation de l'aimant et de son champs magnétique) et son temps de réaction d'opposition au champs magnétique de l'aimant en révolution.
Dans un moteur asynchrone, les courants d'inductions (courants de FOUCAULT) par Le champ magnétique tournant du stator dans le rotor, qui s'opposent à la cause qui leur donne naissance d'après la loi de LENZ, se produisent en décalage. Le retard entre la transformation du rotor en "électroaimant" et son opposition au champs tournant du stator est appelé glissement. Le glissement varie suivant le moteur asynchrone (fréquence, nombres de poles, nombre de phase, matériaux du rotor...).


b) Démarrage du moteur asynchrone monophasé



Moteur asynchrones monophasé 220V YC à condensateur de démarrage
Zone d'ombre avant la fin


moteur asynchrone monophasé à entrefer et spires de FRAGER

Le moteur asynchrone monophasé à entrefer illustre l'inversion du champs magnétique de la bobine lorsqu’elle est parcouru par un courant alternatif et ainsi de comprendre l'inversion de pôles égale dans les deux sens dans le rotor et le stator, ne permettant pas le démarrage du rotor, comme le confirme le théorème de LEBLANC

théorème de LEBLANC: Une bobine alimentée par un courant monophasé alternatif forme un champ magnétique pulsant le long de son axe, créant deux champs magnétiques, de même module, tournants en sens inverses.
Un courant alternatif monophasé dans une bobine créé un champs pulsant. Le champ pulsant est composé de deux champs tournants de même amplitude, de même vitesse mais de sens contraire.


Démarrage du moteur asynchrones monophasé:
Au démarrage du moteur asynchrone monophasé, le couple créé par chacun des champs tournants du champs pulsant est de même valeur. Ainsi, le rotor ne peut pas tourner.
Pour démarrer le moteur, il faut donc le lancer ou avoir recours à un dispositif annexe. Une fois le moteur lancé, et amené à sa vitesse nominale, le moteur possède un glissement proche de 0 pour l'un des champs tournants, et de 2 pour le second. Le couple créé par le premier champ étant plus important que le couple créé par celui de sens contraire, le moteur continue à tourner.

Les solutions
techniques les plus utilisées pour démarrer un moteur asynchrone monophasé sont:
- sur les petits moteur asynchrones monophasé il existe la bague de démarrage (spire de Frager).
- Le condensateur permanent.
- Le condensateur pour bobine de démarrage qui peut être commandé par un coupleur centrifuge ou par un relais électromagnétique.

b1) Moteur asynchrone monophasé à spire de FRAGER

les petits moteurs asynchrones monophasé de faible puissance, constitués d'un seul enroulement, utilisent pour démarrer des spires de FRAGER disposées dans l'entrefer et décalées dans le même sens par rapport à chaques champs tournants.
Au démarrage, la dissymétrie créée entre les deux champs magnétiques tournants par les spires de FRAGER, privilégie un sens de rotation.

b2) Moteur asynchrone monophasé à condensateur permanent

Moteur Mez, 2 pôles, 230V 0.37kw, Type: 7JB71M02K

Le condensateur permanent est branché en série sur l'un des deux enroulements pour le déphasé de π/2. C'est un moteur diphasé.

Pour inverser le sens de rotation du moteur, il suffit de mettre le condensateur en série sur l'autre bobine.

b3) Moteur asynchrone monophasé à condensateur de démarrage

Ils peunvent étre à coupleur centrifuge ou avec relais électromagnétique.


b31) Avec coupleur (Contact, relais) centrifuge

Moteur asynchrone de machine à laver à coupleur centrifuge


Moteur  asynchrone monophasé à coupleur centrifuge d’un compresseur d’air

ELEKTROMOTORENWERK GRUNHAÏN (EMG) 230v 12,6A 50Hz 1,5KW

ELEKTROMOTORENWERK GRUNHAÏN (EMG) 230v 12,6A 50Hz 1,5KW


Au démarrage, le coupleur centrifuge a son contact fermé pour alimenter le condensateur et la bobine de démarrage. Lorsque le moteur atteint sa vitesse de fonctionnement, la force centrifuge du rotor fait s'écarter des masselottes qui ouvrent le contact du coupleur centrifuge pour désactiver le condensateur et la bobine de démarrage.

b32) Avec relais électromagnétique (Relai d'intensité de démarrage, Relais ampermétrique)

Relais ampermétrique KLIXON Déclenchement < 7 A



L'intensité plus importante au démarrage dans la bobine de fonctionnement (principale) permet de fermer le contact du relais électromagnétique pour alimenter le condensateur et la bobine de démarrage. Lorsque le moteur atteint sa vitesse de fonctionnement l'intensité dans la bobine de fonctionnement n'est plus suffisante pour maintenir le relais électromagnétique fermé.

Le relais électromagnétique peut être utilisé pour remplacer un système de démarrage à coupleur centrifuge.


c) Branchement du moteur de machine à laver asynchrone monophasé 230V

Le moteur de machine à laver asynchrone monophasé 230V a généralement 2 vitesses:
Une vitesse de lavage : petite vitesse (PV) à 2 sens de rotation
Une vitesse d'essorage : grande vitesse (GV) à 1 sens de rotation



Moteur de machine à laver avec coupleur centrifuge:
Au démarrage, le coupleur centrifuge a son contact fermé pour alimenter le condensateur et la bobine de démarrage de l'essorage. Lorsque le moteur atteint sa vitesse de fonctionnement, la force centrifuge du rotor fait s'écarter des masselottes qui ouvrent le contact du coupleur centrifuge pour désactiver le condensateur et la bobine de démarrage.

Le condo PV est permanent.



Moteur de machine à laver avec relais électromagnétique:
L'intensité au démarrage dans la bobine d’essorage permet de fermer le contact du relais électromagnétique pour alimenter le condensateur et la bobine de démarrage. Lorsque le moteur atteint sa vitesse de fonctionnement l'intensité dans la bobine d'essorage n'est plus suffisante pour maintenir le relais électromagnétique fermé.

Le condo PV est permanent

d) Moteur asynchrone triphasé

d1) Le champ tournant du moteur asynchrone triphasé

En triphasé, c'est le déphasage de 120° entre les trois tensions (phases) (fréquence constante du réseau électrique Français 50 Hertz) qui alimentent les trois bobinages également disposés à 120° qui est à l'origine du champ tournant.

Le moteur asynchrone triphasé démarre seul, mais demande un courant de démarrage important à la mise sous tension.




d2) Branchement étoile Υ ou triangle ∆ du moteur asynchrone triphasé:



Le branchement étoile Υ ou triangle ∆ du Moteur asynchrone triphasé à pour but de mettre en série ou en paralléle les bobines d'un moteur pour choisir la tension d'utilisation.

d3) Branchement du moteur asynchrone triphasé étoile Y ou triangle ∆ d'aprés sa plaque signalétique:

Depuis 1992, pour réduire les pertes en ligne lors du transport d’électricité, EDF a augmenté la tension électrique qu'il délivre.
Le monophasé 220V= 230V
Le triphasé 380V= 400V
Ceci pour comprendre qu'un moteur 380 ou 400V triphasé sont les mêmes.

Le premier chiffre de la plaque signalétique d'un moteur asynchrone triphasé indique la plus petite tension triphasé supportée par les bobinages lorsqu'ils sont branchés en triangle et le deuxième, la plus grande pour un branchement étoile.

Moteur asynchrone triphasé à plaque signalétique 230/400V sur une réseau triphasé 400V, les bobines sont mises en série (étoile) pour "doubler" la tension triphasé supportée (230x√3≃400V), les deux bobines en série supportent une tension de 400V triphasé.

Moteur asynchrone triphasé à plaque signalétique 400/660V sur un réseau triphasé 400V, les bobines sont mises en parralléle (triangle), car chaque bobine supporte une tension de 400V triphasé.


d4) Branchement marche avant, arrière ou arrêt (effet mémoire) du moteur asynchrone triphasé:
(Circuit de puissance et de commande)

Pour inverser le sens de rotation d'un moteur asynchrone triphasé, il suffit d'inverser le branchement de deux phase.


e) moteur asynchrone en génératrice asynchrone ou la génératrice hypersynchrone

e1) le rotor de la génératrice asynchrone


Comme vue dans "a) Principe de fonctionement du moteur asynchrone", le rotor du moteur asynchrone est une cage d’écureuil, soit constituée de bobinages de cuivre en court-circuit, ou plus généralement une cage d'aluminium remplie de fer blanc.
Dans la cage d’écureuil du rotor du moteur asynchrone, l'aluminium ou le cuivre ne s'aimantent pas, ils sont amagnétique et le fer blanc reste aimanté seulement le temps ou il est soumit à un champs magnétique.

C'est l'induction (courants de FOUCAULT) du champ tournant du stator dans le rotor qui transforme le rotor en "électroaimant".


e2) Le rotor de la génératrice asynchrone est amagnétique

Génératrice asynchrone 1/2 hp monophase 110V entraînée en rotation par un moteur thermique utilisant un système d'oxydoréduction à l'échappement, pour produire à partir d'eau de l'hydrogène qui est injecté dans l'admission pour augmenter son rendement.

Simplement entraîner en rotation avec un autre système, le stator du moteur asynchrone ne produira pas d'électricité, puisque le rotor du moteur asynchrone n'émet pas de champs magnétiques.

Dans un moteur asynchrone, c'est le champs magnétique tournant du stator qui transforme le rotor en "électroaimant". Soit, pour que le rotor produise un champs magnétique, il faut que le stator soit électriquement alimenté.



e3) Amorçage de la génératrice asynchrone
Pour qu'une génératrice asynchrone produise de l'électricité, il faut que le rotor ait un champs magnétique et pour se faire, il est mis en "charge" par l'intermédiaire du stator. Cela s'appelle l'amorçage, il permet de créer la puissance réactive .
L'amorçage peut se faire directement par le réseau électrique ou hors réseau avec des condensateurs et être fait manuellement ou automatiquement

Génératrice asynchrone triphasé autonome à condensateurs

Génératrice asynchrone triphasé raccordée à un réseau électrique triphasé



e4) Production électrique d'une génératrice asynchrone
La génératrice asynchrone produit de l'électricité lorsque le rotor est amorçé pour créer une puissance réactive et que le rotor a une vitesse de rotation corespondant à la vitesse de synchronisme plus la vitesse de glissement.

- La vitesse de synchronisation d'un moteur asynchrone, c'est la fréquence diviser par le nombre de paire de pôles: V(tr/s)= F/Pp (Une paire de pôles = 1 pôle sud et un pôle nord)


vitesse-de-synchronisation-du-moteur-asynchrone.png









- La vitesse de glissement d'un moteur asynchrone, c'est la vitesse de synchronisation moins la vitesse de fonctionnement normal du moteur asynchrone.
Exemple:

Plaque signalétique d'un moteur asynchrone triphasé
la vitesse de fonctionnement de ce moteur asynchrone triphasé à une paire de pôles avec la fréquence du réseau de 50Hz est 2800 tr/min, sa vitesse de synchronisme est 3000tr/min.

Calcule de la vitesse de rotation nécessaire de ce moteur en fonction génératrice pour une fréquence de 50Hz:
vitesse de synchronisme plus vitesse de glissement
3000+(3000-2800)=3200
Ce moteur doit tourner à 3200 tr/min en fonction génératrice pour produire de l'électricité à une fréquence de 50Hz.

Génératrice asynchrone relié au réseau 50Hz
Pour relier une génératrice asynchrone au réseau, la fréquence de la génératrice doit impérativement resté constante à 50Hz, ce qui restreint fortement la plage de vitesse possible du rotor. A 50Hz, la génératrice asynchrone fonctionne à partir d'une vitesse seuil et ne produit plus au de-là d'une certaine vitesse limite.

Pour augmenter la plage des vitesses d'utilisation d'une génératrice asynchrone relié au réseau 50Hz, il peut être utilisé :
-Des machines asynchrones avec un double bobinage, ayant un nombre de paires de pôles différents pour chaque bobinage, à l'image des moteurs asynchrones à deux vitesses de machine à laver.
- 2 génératrices asynchrones, avec un nombre de paires de pôles différents pour chaque génératrices.
- utilisation d'une boite de vitesse.
- Un onduleur adapté.



Génératrice asynchrone autonome (non reliée au réseau)

La génératrice asynchrone autonome, une fois amorcée, peut produire de l'électricité à n'importe qu'elle vitesse de rotation jusqu'à celle de saturation imposée par les matériaux qui composent la génératrice. Mais la fréquence, l'intensité et la tension vont varier en fonction de la vitesse de rotation, puisque la vitesse de synchronisme et la vitesse de glissement dépendent de la fréquence du courant et du nombre de pôle.