Le dispositif et le principe de fonctionnement des moteurs électriques asynchrones

Voiture électriqueconversion de l'énergie électrique du courant alternatif en énergie mécanique sont appelés moteurs électriques à courant alternatif.

Dans l'industrie, les moteurs triphasés asynchrones sont les plus répandus. Regardons l'appareil et le principe de fonctionnement de ces moteurs.

Le principe de fonctionnement du moteur à induction repose sur l'utilisation d'un champ magnétique tournant.

Pour comprendre le fonctionnement d'un tel moteur, nous allons réaliser l'expérience suivante.

Nous renforcerons aimant en fer à cheval sur l'axe afin qu'il puisse être tourné par la poignée. Entre les pôles de l'aimant, nous plaçons un cylindre de cuivre le long de l'axe, qui peut tourner librement.

Figure 1. Le modèle le plus simple pour obtenir un champ magnétique tournant

Commençons à tourner l'aimant de la poignée dans le sens des aiguilles d'une montre. Le champ de l'aimant commencera également à tourner et, en tournant, traversera le cylindre de cuivre avec ses lignes de force. Dans un cylindre selon la loi de l'induction électromagnétique, aura courants de Foucaultqui va créer le sien champ magnétique — le champ du cylindre. Ce champ interagira avec le champ magnétique de l'aimant permanent, faisant tourner le cylindre dans le même sens que l'aimant.

Il a été constaté que la vitesse de rotation du cylindre est légèrement inférieure à la vitesse de rotation du champ magnétique.

En fait, si le cylindre tourne à la même vitesse que le champ magnétique, alors les lignes de champ magnétique ne le traversent pas et donc aucun courant de Foucault n'y apparaît, provoquant la rotation du cylindre.

La vitesse de rotation du champ magnétique est généralement appelée synchrone, car elle est égale à la vitesse de rotation de l'aimant, et la vitesse de rotation du cylindre est asynchrone (asynchrone). Par conséquent, le moteur lui-même s'appelle un moteur à induction... La vitesse de rotation du cylindre (rotor) diffère de vitesse de rotation synchrone du champ magnétique avec une petite quantité de glissement.

Désigne la vitesse de rotation du rotor à travers n1 et la vitesse de rotation du champ à travers n, nous pouvons calculer le pourcentage de glissement par la formule :

s = (n — n1) / n.

Dans l'expérience ci-dessus, nous avons obtenu un champ magnétique tournant et la rotation du cylindre provoquée par celui-ci en raison de la rotation d'un aimant permanent, donc un tel dispositif n'est pas encore un moteur électrique… Il faudrait le faire électricité créer un champ magnétique tournant et l'utiliser pour faire tourner le rotor. Ce problème a été brillamment résolu en son temps par M. O. Dolivo-Dobrovolski. Il a proposé d'utiliser le courant triphasé à cette fin.

Le dispositif d'un moteur électrique asynchrone M. O. Dolivo-Dobrovolski

Figure 2. Schéma du moteur électrique asynchrone Dolivo-Dobrovolsky

Sur les pôles d'un noyau de fer en forme d'anneau, appelé stator de moteur, sont placés trois enroulements, des réseaux de courant triphasés 0 situés les uns par rapport aux autres à un angle de 120 °.

A l'intérieur du noyau, un cylindre métallique, le soi-disant rotor du moteur électrique.

Si les bobines sont interconnectées comme indiqué sur la figure et connectées à un réseau de courant triphasé, le flux magnétique total créé par les trois pôles se révélera rotatif.

La figure 3 montre le graphique des variations des courants dans les enroulements du moteur et le processus d'apparition d'un champ magnétique tournant.

Regardons ce processus plus en détail.

Figure 3. Obtention d'un champ magnétique tournant

En position «A» du graphique, le courant dans la première phase est nul, dans la deuxième phase il est négatif et dans la troisième il est positif. Le courant circule dans les bobines polaires dans le sens indiqué par les flèches sur la figure.

Après avoir déterminé, selon la règle de la main droite, le sens du flux magnétique créé par le courant, on s'assurera que le pôle sud (S) sera créé à l'extrémité du pôle intérieur (face au rotor) du troisième enroulement et le pôle nord (C ) sera créé au pôle de la deuxième bobine. Le flux magnétique total sera dirigé du pôle de la deuxième bobine à travers le rotor vers le pôle de la troisième bobine.

En position «B» du graphique, le courant dans la deuxième phase est nul, dans la première phase il est positif et dans la troisième il est négatif. Le courant circulant dans les enroulements polaires crée un pôle sud (S) à l'extrémité du premier enroulement et un pôle nord (C) à l'extrémité du troisième enroulement. Le flux magnétique total sera maintenant dirigé du troisième pôle à travers le rotor vers le premier pôle, c'est-à-dire que les pôles se déplaceront de 120 °.

En position «B» du graphique, le courant dans la troisième phase est nul, dans la deuxième phase il est positif et dans la première phase il est négatif.Maintenant, le courant circulant dans les première et deuxième bobines créera un pôle nord (C) à l'extrémité polaire de la première bobine et un pôle sud (S) à l'extrémité polaire de la deuxième bobine, c'est-à-dire , la polarité du champ magnétique total se décalera encore de 120°. A la position "G" sur le graphique, le champ magnétique se déplacera encore de 120°.

Ainsi, le flux magnétique total changera de direction avec un changement de direction du courant dans les enroulements du stator (pôles).

Dans ce cas, pour une période de changement de courant dans les bobines, le flux magnétique fera un tour complet. Le flux magnétique en rotation entraînera le cylindre avec lui et nous obtiendrons ainsi un moteur électrique asynchrone.

Rappelons que sur la figure 3, les enroulements du stator sont connectés en étoile, mais un champ magnétique tournant se forme lorsqu'ils sont connectés en triangle.

Si nous commutons les enroulements des deuxième et troisième phases, le flux magnétique inversera son sens de rotation.

Le même résultat peut être obtenu sans changer les enroulements du stator, mais en dirigeant le courant de la deuxième phase du réseau dans la troisième phase du stator, et la troisième phase du réseau dans la deuxième phase du stator.

Par conséquent, vous pouvez changer le sens de rotation du champ magnétique en commutant deux phases.

Nous avons considéré un appareil avec un moteur à induction à trois enroulements de stator... Dans ce cas, le champ magnétique tournant est bipolaire et le nombre de tours par seconde est égal au nombre de périodes de changement de courant en une seconde.

Si six bobines sont placées sur le stator autour de la circonférence, alors un champ magnétique rotatif à quatre pôles... Avec neuf bobines, le champ sera à six pôles.

A une fréquence de courant triphasé égale à 50 périodes par seconde ou 3000 par minute, le nombre de tours n du champ tournant par minute sera de :

avec stator bipolaire n = (50 NS 60) / 1 = 3000 rpm,

avec un stator tétrapolaire n = (50 NS 60) / 2 = 1500 tours,

avec un stator à six pôles n = (50 NS 60) / 3 = 1000 tours,

avec le nombre de paires de pôles statoriques égal à p : n = (f NS 60) / p,

Ainsi, nous avons établi la vitesse de rotation du champ magnétique et sa dépendance au nombre d'enroulements du stator du moteur.

Comme nous le savons, le rotor du moteur sera un peu en retard dans sa rotation.

Cependant, le décalage du rotor est très faible. Par exemple, lorsque le moteur tourne au ralenti, la différence de vitesse n'est que de 3 % et sous charge de 5 à 7 %. Par conséquent, la vitesse du moteur à induction change dans de très petites limites lorsque la charge change, ce qui est l'un de ses avantages.

Considérons maintenant le dispositif des moteurs électriques asynchrones

Moteur électrique asynchrone démonté : a) stator ; b) rotor à cage d'écureuil ; c) rotor en phase d'exécution (1 - châssis ; 2 - noyau de tôles d'acier embouties ; 3 - enroulement ; 4 - arbre ; 5 - bagues coulissantes)

Le stator d'un moteur électrique asynchrone moderne a des pôles non prononcés, c'est-à-dire que la surface intérieure du stator est rendue complètement lisse.

Pour réduire les pertes par courants de Foucault, le noyau du stator est formé de fines tôles d'acier embouties. Le noyau du stator assemblé est fixé dans un carter en acier.

Une bobine de fil de cuivre est posée dans les encoches du stator.Les enroulements de phase du stator du moteur électrique sont reliés par une «étoile» ou «triangle», pour laquelle tous les débuts et fins des enroulements sont amenés à la corps - à un bouclier isolant spécial. Un tel dispositif de stator est très pratique, car il vous permet d'allumer ses enroulements à différentes tensions standard.

Un rotor de moteur à induction, comme un stator, est assemblé à partir de tôles d'acier embouties. Une bobine est posée dans les rainures du rotor.

Selon la conception du rotor, les moteurs électriques asynchrones sont divisés en moteurs à rotor à cage d'écureuil et à rotor à phase.

L'enroulement du rotor à cage d'écureuil est constitué de tiges de cuivre insérées dans les fentes du rotor. Les extrémités des tiges sont reliées par un anneau de cuivre. C'est ce qu'on appelle le roulement en cage d'écureuil. Notez que les barres de cuivre dans les canaux ne sont pas isolées.

Dans certains moteurs, la "cage d'écureuil" est remplacée par un rotor coulé.

Moteur à rotor asynchrone (avec bagues collectrices) est généralement utilisé dans les moteurs électriques de forte puissance et dans ces cas ; lorsqu'il est nécessaire que le moteur électrique crée une force importante au démarrage. Ceci est réalisé par le fait que les enroulements du moteur de phase sont connectés rhéostat de démarrage.

Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil sont mis en service de deux manières :

1) Raccordement direct de la tension du réseau triphasé au stator du moteur. Cette méthode est la plus simple et la plus populaire.

2) Réduire la tension appliquée aux enroulements du stator. La tension est réduite, par exemple, en commutant les enroulements du stator d'étoile en triangle.

Le moteur est démarré lorsque les enroulements du stator sont connectés en "étoile", et lorsque le rotor atteint la vitesse normale, les enroulements du stator sont commutés en connexion "triangle".

Le courant dans les fils d'alimentation dans cette méthode de démarrage du moteur est réduit de 3 fois par rapport au courant qui se produirait lors du démarrage du moteur par connexion directe au réseau avec des enroulements de stator connectés en «triangle».Cependant, cette méthode ne convient que si le stator est conçu pour un fonctionnement normal lorsque ses enroulements sont connectés en triangle.

Le plus simple, le moins cher et le plus fiable est un moteur asynchrone à cage d'écureuil, mais ce moteur présente certains inconvénients - faible effort de démarrage et courant de démarrage élevé. Ces inconvénients sont largement éliminés par l'utilisation d'un rotor de phase, mais l'utilisation d'un tel rotor augmente fortement le coût du moteur et nécessite un démarrage par rhéostat.

Types de moteurs asynchrones

Le principal type de machine asynchrone est un moteur asynchrone triphasé... Il comporte trois enroulements de stator situés à 120 ° les uns des autres. Les bobines sont connectées en étoile ou en triangle et alimentées en courant alternatif triphasé.

Les moteurs de faible puissance sont le plus souvent réalisés en biphasé... Contrairement aux moteurs triphasés, ils possèdent deux enroulements statoriques dont les courants doivent être décalés angulairement pour créer un champ magnétique tournant π/2.

Si les courants dans les enroulements sont égaux en amplitude et déphasés de 90 °, le fonctionnement d'un tel moteur ne différera en rien du fonctionnement d'un triphasé. Cependant, de tels moteurs à deux enroulements statoriques sont dans la plupart des cas alimentés par un réseau monophasé et un déplacement approchant les 90° est créé artificiellement, généralement à cause des condensateurs.

Moteur monophasé seul un enroulement du stator est pratiquement inactif, lorsque le rotor est à l'arrêt, seul un champ magnétique pulsé est créé dans le moteur et le couple est nul. Il est vrai que si le rotor d'une telle machine tourne à une certaine vitesse, il peut remplir les fonctions d'un moteur.

Dans ce cas, bien qu'il n'y ait qu'un champ pulsé, il se compose de deux symétriques - avant et arrière, qui créent des couples inégaux - un moteur plus gros et moins de freinage, résultant des courants rotoriques de fréquence accrue (glissement contre l'inverse synchrone champ est supérieur à 1).

En relation avec ce qui précède, les moteurs monophasés sont fournis avec un deuxième enroulement qui est utilisé comme enroulement de démarrage. Des condensateurs sont inclus dans le circuit de cette bobine pour créer un déphasage du courant dont la capacité peut être assez importante (dizaines de microfarads avec une puissance moteur inférieure à 1 kW).

Les systèmes de contrôle utilisent des moteurs biphasés, parfois appelés exécutifs... Ils ont deux enroulements statoriques décalés dans l'espace de 90°. L'un des enroulements, appelé inducteur, est directement connecté à un réseau 50 ou 400 Hz. La seconde sert de bobine de commande.

Pour créer un champ magnétique tournant et le couple correspondant, le courant dans la bobine de commande doit être déplacé d'un angle proche de 90°. La régulation de la vitesse du moteur, comme cela sera montré ci-dessous, se fait en changeant la valeur ou la phase du courant dans cette bobine. L'inverse est assuré en changeant la phase du courant dans la bobine de commande de 180° (commutation de la bobine).

Les moteurs biphasés sont produits en plusieurs versions :

• avec rotor à cage d'écureuil,

• à rotor creux amagnétique,

• avec un rotor magnétique creux.

Moteurs linéaires

La transformation du mouvement de rotation du moteur en mouvement de translation des organes de la machine de travail est toujours associée à la nécessité d'utiliser des unités mécaniques: crémaillères, vis, etc.seulement conditionnellement - en tant qu'organe en mouvement).

Dans ce cas, le moteur est dit déployé. L'enroulement du stator d'un moteur linéaire est réalisé de la même manière que pour un moteur volumétrique, mais il ne doit être posé que dans les rainures sur toute la longueur du mouvement maximal possible du rotor coulissant. Le rotor coulissant est généralement court-circuité, le corps de travail du mécanisme est articulé avec lui. Aux extrémités du stator il doit bien entendu y avoir des butées pour empêcher le rotor de sortir des limites de travail de la trajectoire.