Fiche de révision : Moteurs électriques et chaîne d’énergie

📋 Plan du Cours

1. Chaîne d’énergie et actionneurs
2. Champ magnétique et force de Laplace
3. Moteur à courant continu
4. Relations et bilan du moteur continu
5. Caractéristiques du moteur continu
6. Réseau triphasé et champ tournant
7. Vitesse du moteur asynchrone
8. Couplage et plaque signalétique
9. Bilan du moteur asynchrone

📖 1. Chaîne d’énergie et actionneurs

★ À maîtriser

📌 Dans un système, la chaîne d’information traite le flux de données tandis que la chaîne d’énergie traite les flux de matière et d’énergie.

• 🔄 La chaîne d’énergie suit cet ordre :
  1. Alimenter
  2. Distribuer
  3. Convertir
  4. Transmettre
  5. Agir sur la matière d’œuvre

Compléments

• Les moteurs électriques étudiés sont les moteurs à courant continu et les moteurs asynchrones triphasés à courant alternatif.

💡 Astuce mémo

L’énergie suit le trajet alimenter → distribuer → convertir → transmettre → agir.

📖 2. Champ magnétique et force de Laplace

🔑 Notions clés & Définitions

• Champ magnétique : Produit naturellement par le champ terrestre, par les aimants et par les courants électriques circulant dans un conducteur ou une bobine.

★ À maîtriser

📌 Un conducteur parcouru par un courant I et placé dans un champ magnétique B subit une force F, selon la loi de Laplace.

Compléments

• Le champ magnétique peut être représenté par un vecteur et son unité est le tesla (T).

• La règle des trois doigts de la main droite associe le pouce à la force, l’index à l’intensité du courant et le majeur au magnétisme.

💡 Astuce mémo

La main droite relie le courant, le champ magnétique et la force avec trois doigts perpendiculaires.

📖 3. Moteur à courant continu

★ À maîtriser

• 🔄 La mise en rotation s’effectue ainsi :

  1. Le champ des aimants permanents traverse la spire alimentée
  2. Les forces de Laplace créent un couple
  3. Le rotor se met en rotation

• Les balais et le collecteur inversent le sens du courant dans la spire à chaque demi-tour afin de maintenir le même sens de rotation.

Compléments

• Le moteur à courant continu est plutôt utilisé pour les petites puissances et se pilote facilement en variation de vitesse.

📌 Le stator ou inducteur est la partie fixe, tandis que le rotor ou induit est la partie tournante, séparés par un entrefer.

• Les tôles du stator et du rotor limitent les pertes par courants de Foucault et par hystérésis.

• Le circuit inducteur produit le champ magnétique au moyen d’aimants en ferrite ou de bobines inductrices montées en série autour de noyaux polaires.

💡 Astuce mémo

Le courant dans la spire plongée dans le champ crée une force de Laplace, puis un couple moteur.

📖 4. Relations et bilan du moteur continu

🔑 Notions clés & Définitions

• Pertes constantes : La somme des pertes mécaniques par frottement et des pertes magnétiques dues à l’hystérésis magnétique et aux courants de Foucault.

★ À maîtriser

📐 Formule - La force électromotrice d’un moteur continu vérifie $E = k_1 \times \Omega$.

📐 Formule - Le couple électromagnétique vérifie $C_e = k_2 \times I_m$, où I_m est le courant dans l’induit.

📐 Formule - L’équation électrique de l’induit est $U_m = E + R \times I_m$.

Compléments

📐 Formule - La vitesse angulaire et la vitesse de rotation sont reliées par $\Omega = \frac{N \times 2\pi}{60}$, où N est en tr/min et Ω en rad/s.

• Au démarrage, la vitesse de rotation est nulle et la force électromotrice E est donc nulle.

📌 Le couple électromagnétique Ce est égal au couple utile Cu seulement si les pertes constantes par frottement et les pertes magnétiques sont négligées.

📐 Formule - La puissance absorbée par le moteur continu vérifie $P_a = U_m \times I_m$.

📐 Formule - Les pertes Joule dans l’induit vérifient $P_j = R \times I_m^2$.

📐 Formule - Le rendement du moteur continu vérifie $\eta = \frac{P_u}{P_a} = \frac{C_u \times \Omega_m}{U_m \times I_m}$ et la puissance utile vérifie $P_u = P_a - P_j - P_c$.

📖 5. Caractéristiques du moteur continu

★ À maîtriser

📌 À tension d’alimentation constante, les courbes caractéristiques du moteur continu donnent la vitesse, le rendement, la puissance électrique et la puissance mécanique en fonction du couple résistant.

• La caractéristique couple-vitesse du moteur continu est linéaire et permet de déterminer la vitesse à vide et le couple de démarrage.

Compléments

• La puissance absorbée augmente avec le couple parce que le courant I est proportionnel au couple C.

📌 Les caractéristiques nominales du moteur sont définies au point où le rendement est maximal.

📖 6. Réseau triphasé et champ tournant

★ À maîtriser

• Le transport d’énergie en triphasé permet de véhiculer davantage de puissance et de créer des champs magnétiques tournants utilisés par les moteurs asynchrones triphasés.

• Dans le moteur asynchrone, les trois bobines statoriques alimentées par des courants triphasés créent trois champs variables dont la composition forme un champ tournant, lequel entraîne le rotor par une force électromagnétique.

Compléments

• Une source triphasée est composée de trois générateurs monophasés de 230 V ayant un point commun appelé neutre.

• Une directive européenne datant de 1988 impose un réseau 230 V / 400 V à ± 10 %.

💡 Astuce mémo

Trois champs variables se composent en un champ tournant qui entraîne le rotor.

📖 7. Vitesse du moteur asynchrone

★ À maîtriser

📐 Formule - La vitesse synchrone vérifie $n_s = \frac{f}{p}$, où f est la fréquence du courant en Hz et p le nombre de paires de pôles.

Compléments

• Le nombre de paires de pôles dépend du nombre de bobines : une bobine par phase forme une paire de pôles par phase, et deux bobines par phase en forment deux.

• À 50 Hz et avec une paire de pôles, la vitesse synchrone est de 50 tr/s, soit 3 000 tr/min.

📖 8. Couplage et plaque signalétique

★ À maîtriser

📌 Les deux couplages possibles des trois bobines d’un moteur asynchrone triphasé sont le couplage étoile Y et le couplage triangle Δ.

📌 On choisit le couplage triangle Δ lorsque la plus petite tension de la plaque signalétique correspond à la tension entre phases du réseau, et le couplage étoile Y lorsque c’est la plus grande tension qui correspond.

Compléments

• La plaque signalétique indique les conditions nominales de fonctionnement, notamment les tensions et le couplage à utiliser selon la tension entre phases du réseau.

• Pour le moteur présenté, le couplage est triangle à 230 V entre phases et étoile à 400 V entre phases.

💡 Astuce mémo

Petite tension de plaque avec tension réseau : triangle ; grande tension : étoile.

📖 9. Bilan du moteur asynchrone

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance absorbée par le moteur asynchrone triphasé vérifie $P_a = \sqrt{3} \times U \times I \times \cos(\varphi)$, où U est la tension entre phases et I le courant dans une phase.

📐 Formule - La puissance utile du moteur asynchrone vérifie $P_u = C_u \times \Omega$.

Compléments

📐 Formule - Le rendement du moteur asynchrone triphasé vérifie $\eta = \frac{P_u}{P_a} = \frac{C_u \times \Omega}{\sqrt{3} \times U \times I \times \cos(\varphi)}$.