Moteur synchrone : Machines spéciales

1. Machines spéciales

1.1. Moteur asynchrone monophasé 

1.1.1. Constitution 

Un champ alternatif est équivalent à deux champs d’intensité constante, tournant en
sens inverse à la vitesse de synchronisme. Un tel champ est capable d’entraîner un
disque conducteur à condition qu’il soit lancé dans un sens ou dans l’autre. On peut
fonder sur ce principe des moteurs asynchrones qui comportent un stator
monophasé et un rotor triphasé (le plus souvent à cage). Il suffira d’assurer leur
démarrage.

La tension alternatif étant appliquée au stator du moteur, on suppose que son rotor
tourne à la vitesse n. Dans ces conditions, le rotor est soumis à deux couples de
sens contraires :

- un couple direct Cd, qui correspond au sens de rotation d’un deux
champs tournants avec le sens de rotation du moteur. Le glissement
du rotor par rapport à ce champ est :

g = (ns– n) / ns= 1 – n / ns

- un couple inverse Ci, qui correspond au sens de rotation de l’autre
champ tournant par rapport au rotor. Avec ce champ le glissement
est :

(ns+ n) / ns= 1 + n / ns= 2 - g

On en déduit la caractéristique mécanique (fig. – 1 a, b) en faisant la somme
algébrique de ces deux couples pour les différents glissements.

Moteur monophasé
a) , b) caractéristique mécanique; c) Démarrage

(fig. – 1 a, b)

1.1.2. Démarrage 

Les moteurs de faible puissance peuvent être démarrés à la main, sinon il faut user
d'un artifice. Le plus utilisé consiste à munir le stator d’un enroulement auxiliaire
déphasé de 90° électriques par rapport à l’enroulement principal (fig. – 1c).

On réalise, au démarrage, l’équivalent d’un moteur diphasé, en décalant le courant
dans l’enroulement auxiliaire. Undisjoncteur, à force centrifuge, coupe l’alimentation
du circuit auxiliaire quand la vitesse normale est atteinte.

1.1.3. Emploi 

Le moteur asynchrone monophasé est un moteur robuste, mais ses possibilités
(puissance, rendement, facteur de puissance) sont très inférieures à celles du moteur
triphasé de même dimensions. Il n’est utilisé que pour de faible puissances lorsqu’on
ne dispose que d’un réseau monophasé d’éclairage.

1.2. Moteur universel

1.2.1. Principe 

Le moteur série  à courant continupeut fonctionner sur le réseau alternatif
monophasé, à condition d’utiliserun inducteur feuilleté.

En effet, le courant s’inverse simultanément dans l’induit et dans l’inducteur de sorte
que le couple conserve un signe constant. L’inducteur doit être feuilleté pour
diminuer les pertes par courants de Foucault.

Comme pour le moteur à courant continu l’inversion du sens de marche s’obtient en
permutant les connexions entre induit et inducteur.

Le schéma du moteur série monophasé est analogue à celui du moteur série à
courant continu, il suffit de lui ajouter une inductance pour le démarrage (fig. –
2a). La caractéristique mécanique et la variation du facteur de puissance par
rapport à la vitesse de rotation sont représentées sur la fig. – 2b.

Moteur série monophasé

fig. – 2

1.2.2. Applications 

Le moteur série monophasé a autrefois été utilisé à des puissances élevées comme
moteur de traction sur des réseaux électriques qui étaient alimentés soit à la
fréquence industrielle (50 Hz), soit à une fréquence réduite (25 Hz ou 16 2/3 Hz) afin
d’améliorer les conditions de commutation.

Ces moteurs sont actuellement remplacés soit par des moteurs à courant continu
alimentés par des thyristors, soit, plus récemment (TGV Atlantique), par des moteurs
synchrones autopilotés.

Le moteur série monophasé, peu utilisé pour les puissances élevées, est en
revanche, très utilisé pour les petites puissances. Il est à pôles saillants (sans
enroulement (sans enroulement de compensation ni pôles de commutation) et ,
comme il tourne très vite(de 3000 à 8000 tr/mn), son fonctionnement est très
satisfaisant. Il est dit universel pour ses possibilités de fonctionnement en continu et
en alternatif. Le moteur universel fait généralement corps avec la machine qu’il
entraîne; on le trouve ainsi attelé à de nombreuses machines outils (perceuses,
machines à poncer) et à des appareils domestiques (aspirateurs, moulins à café).

1.3. Moteurs à plusieurs vitesses 

1.3.1. Moteurs à enroulements séparés 

1.3.1.1. Généralités 

Les deux enroulements sont indépendants, isolés, montés l’un après l’autre dans les
encoches du même stator. Ils permettent les combinaisons de deux quelconques des
vitesses obtenues avec des enroulements triphasés à 2, 4, 6, 8, 10, 12 et 16 pôles.
En aucun cas l’enroulement hors tension ne doit être couplé en triangle : il serait le
siège de courants induits par le champ tournant de l’enroulement sous tension
(plaque à six bornes, enroulements couplés en étoile). Si l’un d’eux, PV (petite
vitesse) ou GV (grande vitesse), est « plaqué en triangle » pour la tension du réseau
commune, il doit être « démarré en étoile – triangle » (plaque à neuf bornes)
 (fig. –3).
 Les intensités nominales étant généralement différentes deux relais de
protection sont nécessaires.

Moteurs à enroulements séparés

fig. –3

1.3.1.2. Exemple d’enroulement 2 / 12 pôles 

Pour plus de clarté il n’est figuré entièrement que la section 1 – 14 et sa liaison à la
suivante (fig. – 4).

Enroulement 2 / 12 pôles

Fig. - 4

1.3.1.3. Démarrage 

Sur la fig.  – 3 on peut voir un exemple de schéma de puissance et sur la fig. –
5 quatre schémas de commande.

Schémas de commande pour démarrage d’un moteur à enroulements séparés
Fig. - 5

1.3.2. Moteurs à couplage de pôles (D & L), Dahlander Lindström 

1.3.2.1. Généralités 

Ces moteurs (de 0,3 à plusieurs centainesde kW) n’ont qu’un seul bobinage triphasé
qui ne permet qu’un rapport des vitesses de 1 à 2. Ceci est obtenu par mise en
parallèle des demi-enroulements de chaque phase (1) ou par inversion du courant
dans l’un d’eux (2); le nombre de pôles est alors divisé par deux (fig. – 6).

1 coplage serie parallele

2 demi-enroulement inversé

Couplage des enroulements
Fig. -6

1.3.2.2. Caractéristiques C (n) en petite vitesse et grande vitesse 

Pour une même caractéristique moteur en grande vitesse, les caractéristiques types
Cr(n)1, 2, 3 imposent les caractéristiques moteur en petite vitesse repérées 1, 2, 3
(fig. – 7).

Caractéristiques mécaniques GV et PV
Fig - 7

Les catalogues constructeurs proposent dans les polarités les plus courantes 2 / 4 et 
4 / 8 pôles, deux types de moteurs :

•  Moteurs pour usage général (type 1)

Ce sont les plus usuels, couplés triangle – série (PV) et étoile – étoile (GV). Le
rapport des puissances utiles est PGV/ PPVenviron 1,2 pour les 2 / 4 pôles et 1,6
pour les 4 / 8 pôles.

•  Moteurs pour machines centrifuges (type 2)

Ils sont couplés étoile – série (PV)et étoile – étoile (GV). On a : PGV/ PPVenviron 4
d’où CGV/ CPVenviron 2.

1.3.2.3. Couplage

- Couplage triangle – série (PV) et étoile – étoile (GV)

Les trois enroulements (fig. – 8) sont figurés ici par des traits différents avec
repères normalisés. Par suite de l’inversion desrepères médians 2U et 2W le moteur
tournera « sens des aiguilles d’une montre » si les phases L1, L2, L3 sont affectées
respectivement à 1U, 1V, 1W en petite vitesse et encore 2U, 2V, 2W en grande
vitesse.

Couplage triangle – série (PV) et étoile – étoile (GV)
Fig. - 8

En grande vitesse il faut encore réunir les bornes d’entrée petite vitesse.

- Couplage étoile - série (PV) et étoile – étoile (GV)

Ce couplage (fig.  – 9), moins courantque le précédent, impose aussi, en grande
vitesse, la liaison des entrées petite vitesse.

Couplage étoile – série (PV) et étoile – étoile (GV)
Fig. - 9

- Couplage étoile (PV) et étoile – demi-inversé (GV)

Plus rare (fig. – 10), à « puissance constante » (type 3 sur fig. – 7), il nécessite
neuf bornes de sortie.

Couplage étoile (PV) et étoile – demi-inversé (GV)
Fig.  –10