Principe de fonctionnement du moteur à induction

Le moteur à induction est une machine électrique à courant alternatif qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Le moteur à induction est largement utilisé dans diverses applications, des appareils ménagers de base aux industries lourdes. La machine a tellement d'applications difficiles à compter et vous pouvez imaginer l'échelle en sachant que près de 30% de l'énergie électrique générée dans le monde est consommée par les moteurs à induction eux-mêmes. Cette machine étonnante a été inventée par le grand scientifique Nikola Tesla et cette invention a changé de façon permanente le cours de la civilisation humaine.

Voici quelques applications d'un moteur à induction monophasé et triphasé que l'on peut trouver dans la vie quotidienne.

Applications des moteurs à induction monophasés:

• Ventilateurs électriques à la maison
• Perceuses
• Pompes
• Broyeurs
• Jouets
• aspirateur
• Ventilateurs d'extraction
• Compresseurs et rasoirs électriques

Applications des moteurs à induction triphasés:

• Industries à petite, moyenne et grande échelle.
• Ascenseurs
• Grues
• Conduire des machines de tour
• Moulins d'extraction d'huile
• Bras robotiques
• Système de bande transporteuse
• Concasseurs lourds

Les moteurs à induction sont disponibles dans de nombreuses tailles et formes ayant des caractéristiques relatives et des valeurs électriques. Ils varient de quelques centimètres à quelques mètres et ont une puissance nominale de 0,5Hp à 10000Hp. L'utilisateur peut choisir le plus approprié parmi l'océan de modèles pour répondre à sa demande.

Nous avons déjà discuté des principes fondamentaux des moteurs et de son fonctionnement dans l'article précédent. Ici, nous discuterons de la construction et du fonctionnement du moteur à induction en détail.

Principe de fonctionnement du moteur à induction

Pour comprendre le principe de fonctionnement d'un moteur à induction, considérons d'abord une configuration simple comme indiqué sur la figure.

Ici,

• Deux noyaux de fer ou de ferrite de tailles égales sont prélevés et sont suspendus dans l'air à distance.
• Un fil de cuivre émaillé est blessé sur le noyau supérieur suivi de celui du bas et les deux extrémités sont prises d'un côté comme indiqué sur la figure.
• Le noyau agit ici comme un support pour transporter et concentrer le flux magnétique généré par la bobine pendant le fonctionnement.

Maintenant, si nous connectons une source de tension alternative aux deux extrémités du cuivre, nous aurons quelque chose comme ci-dessous.

Pendant le cycle positif du courant alternatif:

Ici pendant le premier demi-cycle, la tension positive au point «A» passera progressivement de zéro au maximum puis reviendra à zéro. Pendant cette période, le flux de courant dans l'enroulement peut être représenté par.

Ici,

• Pendant le cycle positif de la source d'alimentation CA, le courant dans les deux enroulements augmente progressivement de zéro au maximum puis revient progressivement du maximum à zéro. En effet, selon la loi d'Ohm, le courant dans un conducteur est directement proportionnel à la tension aux bornes, et nous en avons discuté plusieurs fois dans les articles précédents.
• Les enroulements sont enroulés de manière à ce que le courant dans les deux enroulements circule dans le même sens, et nous pouvons voir le même représenté sur le diagramme.

Souvenons-nous maintenant d'une loi appelée loi de Lenz que nous avons étudiée plus tôt avant d'aller de l'avant. Selon la loi de Lenz, « un conducteur transportant un courant générera un magnétique rempli autour de sa surface»,

et si nous appliquons cette loi dans l'exemple ci-dessus, alors un champ magnétique sera généré par chaque boucle dans les deux bobines. Si nous ajoutons le flux magnétique généré par la bobine entière, alors il obtiendra une valeur considérable. Tout ce flux apparaîtra sur le noyau de fer lorsque la bobine a été enroulée sur le corps du noyau.

Pour plus de commodité, si nous dessinons les lignes de flux magnétique concentrées sur le noyau de fer aux deux extrémités, nous aurons quelque chose comme ci-dessous.

Ici, vous pouvez voir les lignes magnétiques se concentrer sur les noyaux de fer et son mouvement à travers l'entrefer.

Cette intensité de flux est directement proportionnelle au courant circulant dans les bobines enroulées sur les deux corps de fer. Ainsi, pendant le demi-cycle positif, le flux passe de zéro au maximum, puis atténué du maximum à zéro. Une fois le cycle positif terminé, l'intensité du champ au niveau de l'entrefer atteint également zéro et après cela, nous aurons un cycle négatif.

Pendant le cycle négatif du courant alternatif:

Pendant ce cycle négatif de la tension sinusoïdale, la tension positive au point 'B' passera progressivement de zéro au maximum puis reviendra à zéro. Comme d'habitude, à cause de cette tension, il y aura un flux de courant et nous pouvons voir le sens de ce courant dans les enroulements sur la figure ci-dessous.

Puisque le courant est linéairement proportionnel à la tension, son amplitude dans les deux enroulements augmente progressivement de zéro au maximum, puis descend du maximum à zéro.

Si l'on considère la loi de Lenz, alors un champ magnétique apparaîtra autour des bobines en raison du flux de courant similaire au cas étudié dans le cycle positif. Ce champ se concentrera au centre des noyaux de ferrite comme indiqué sur la figure. Étant donné que l'intensité du flux est directement proportionnelle au courant circulant dans les bobines enroulées sur les deux corps de fer, ce flux passera également de zéro à maximum, puis atténué de maximum à zéro en fonction de l'amplitude du courant. Bien que cela soit similaire à un cycle positif, il y a une différence et c'est la direction des lignes de champ magnétique. Vous pouvez observer cette différence de direction du flux sur les diagrammes.

Après son cycle négatif vient un cycle positif suivi d'un autre cycle négatif et cela continue comme ça jusqu'à ce que la tension sinusoïdale alternative soit supprimée. Et en raison de ce cycle de tension d'échange, le champ magnétique au centre des noyaux de fer continue de changer à la fois en amplitude et en direction.

En conclusion en utilisant cette configuration,

• Nous avons développé une zone concentrée de champ magnétique au centre des noyaux de fer.
• L'intensité du champ magnétique au niveau de l'entrefer ne cesse de changer à la fois en amplitude et en direction.
• Le champ suit la forme d'onde de tension sinusoïdale CA.

Loi de Faradays sur l'induction électromagnétique

Cette configuration dont nous avons discuté jusqu'à présent est la mieux adaptée pour réaliser la loi de Faradays de l'induction électromagnétique. En effet, un champ magnétique en constante évolution est la condition la plus fondamentale et la plus importante de l'induction électromagnétique.

Nous étudions cette loi ici car le moteur à induction fonctionne sur le principe de la loi de Faraday de l'induction électromagnétique.

Maintenant, pour étudier le phénomène de l'induction électromagnétique, considérons la configuration ci-dessous.

• Un conducteur est pris et façonné en carré avec les deux extrémités court-circuitées.
• Une tige métallique est fixée au centre du carré conducteur qui sert d'axe de l'installation.
• Maintenant, le carré conducteur peut tourner librement le long de l'axe et s'appelle un rotor.
• Le rotor est placé au centre de l'entrefer afin que la boucle conductrice puisse ressentir le champ maximum généré par les bobines du rotor.

Nous savons, selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, « lorsqu'un champ magnétique variable coupe un conducteur métallique, alors un CEM ou une tension est induit dans le conducteur» .

Maintenant, appliquons cette loi pour comprendre le fonctionnement d'un moteur à induction:

• Selon cette loi d'induction électromagnétique, un champ électromagnétique devrait être induit dans le conducteur du rotor placé au centre en raison du champ magnétique variable qu'il subit.
• En raison de cet EMF induit et du court-circuit du conducteur, un courant circule dans toute la boucle, comme indiqué sur la figure.
• Voici la clé du fonctionnement du moteur à induction, Nous savons que selon la loi de Lenz, un conducteur porteur de courant génère un champ magnétique autour de lui dont l'intensité est proportionnelle à l'amplitude du courant.
• La loi étant universelle, la boucle conductrice du rotor doit également générer un champ magnétique car le courant le traverse à cause de l'induction électromagnétique.
• Si nous appelons le champ magnétique généré par les enroulements du stator et la configuration du noyau de fer comme flux principal ou flux de stator. Ensuite, nous pouvons appeler le champ magnétique généré par la boucle conductrice du rotor le flux Rotor.
• En raison de l'interaction entre le flux principal et le flux du rotor, une force est ressentie par le rotor. Cette force essaie de s'opposer à l'induction EMF dans le rotor en ajustant la position du rotor. Par conséquent, nous expérimenterons un mouvement dans la position de l'arbre à ce moment.
• Maintenant, le champ magnétique continue de changer en raison de la tension alternative, la force continue également de régler la position du rotor en continu sans arrêt.
• Ainsi, le rotor continue de tourner à cause de la tension alternative et nous avons ainsi une sortie mécanique au niveau de l'arbre ou de l'axe du rotor.

Avec cela, nous avons vu comment, à cause de l'induction électromagnétique dans le rotor, nous avons une sortie mécanique au niveau de l'arbre. Le nom donné à cette configuration est donc appelé Moteur à induction.

Jusqu'à présent, nous avons discuté du principe de fonctionnement du moteur à induction, mais rappelez-vous que la théorie et la pratique sont différentes. Et pour le fonctionnement du moteur à induction, une configuration supplémentaire est nécessaire dont nous parlerons ci-dessous.

Moteur à induction monophasé

Le moteur à induction qui fonctionne sur une alimentation CA monophasée est appelé moteur à induction monophasé .

La ligne électrique disponible pour nous à la maison est une ligne électrique monophasée 240V / 50Hz AC et les moteurs à induction que nous utilisons dans notre vie quotidienne dans nos maisons sont appelés moteurs à induction monophasés.

Pour mieux comprendre le principe de fonctionnement du moteur à induction monophasé, examinons la construction du moteur à induction monophasé.

Ici,

• Nous prendrons plusieurs conducteurs et les montons sur l'arbre en rotation libre comme indiqué sur la figure.
• En outre, nous allons court-circuiter les extrémités de tous les conducteurs avec un anneau métallique, créant ainsi plusieurs boucles de conducteurs que nous avons étudiées précédemment.
• Cette configuration de rotor ressemble à une cage d'écureuil à un examen plus approfondi et s'appelle donc un moteur à induction à cage d'écureuil. Jetons un coup d'œil à la structure 3D du rotor à cage d'écureuil.

• Le stator qui était considéré comme une pièce de fer complète est en fait un groupe de fines feuilles de fer empilées ensemble. Ils sont si étroitement pressés ensemble qu'il n'y aura littéralement pas d'air entre eux. Nous utilisons une pile de feuilles de fer au lieu d'une seule pièce de fer pour la même raison que nous utilisons des feuilles de fer laminées dans le cas d'un transformateur de puissance qui vise à réduire les pertes de fer. En utilisant la méthode d'empilement, nous réduirons considérablement la perte de puissance tout en conservant les mêmes performances.

Le fonctionnement de cette configuration est similaire à la configuration utilisée pour expliquer le principe de fonctionnement du moteur à induction.

• Tout d'abord, nous fournirons la tension alternative et en raison de cette tension, le courant circule à travers l'enroulement du stator enroulé sur les segments supérieur et inférieur.
• En raison du courant, un champ magnétique est généré sur les enroulements supérieur et inférieur.
• La majeure partie des feuilles de fer agit comme un support central pour transporter le champ magnétique généré par les bobines.
• Ce champ magnétique alternatif porté par le noyau de fer se concentre au niveau de l'entrefer central en raison de la conception structurelle intentionnelle.
• Or, puisque le rotor est placé dans cet entrefer, les conducteurs en court-circuit fixés sur le rotor subissent également ce champ alternatif.
• En raison du champ, un courant est induit dans les conducteurs du rotor.
• Étant donné que le courant passe à travers les conducteurs du rotor, un champ magnétique sera également généré autour du rotor.
• Lors de l'interaction entre le champ magnétique du rotor généré et le champ magnétique du stator, une force est ressentie par le rotor.
• Cette force déplace le rotor le long de l'axe et nous aurons ainsi un mouvement de rotation.
• Puisque la tension change continuellement la tension sinusoïdale, le rotor continue également de tourner continuellement le long de son axe. Ainsi, nous aurons une sortie mécanique continue pour une tension d'entrée monophasée donnée.

Bien que nous ayons supposé que le rotor tournera automatiquement après la mise sous tension du moteur monophasé, ce n'est pas le cas. Le champ généré par un moteur à induction monophasé étant un champ magnétique alternatif et non un champ magnétique rotatif. Ainsi, au démarrage du moteur, le rotor se bloque sur sa position car la force qu'il subit à cause de la bobine inférieure et de la bobine supérieure sera de la même grandeur et de sens opposé. Ainsi, au départ, la force nette subie par le rotor est nulle. Pour éviter cela, nous utiliserons un enroulement auxiliaire pour le moteur à induction pour en faire un moteur à démarrage automatique. Cet enroulement auxiliaire fournira le champ nécessaire pour faire bouger le rotor au départ. L'exemple de ce cas est le ventilateur électrique que nous voyons dans notre vie quotidienne,qui est un démarrage par condensateur et fait fonctionner un moteur à induction avec un enroulement auxiliaire connecté en série avec le condensateur.

Moteur à induction triphasé

Le moteur à induction qui fonctionne sur une alimentation électrique triphasée à courant alternatif est appelé moteur à induction triphasé. Habituellement, les moteurs à induction triphasés sont utilisés dans les industries et ne conviennent pas aux applications domestiques.

La ligne électrique disponible pour les industries est une alimentation CA triphasée à quatre lignes 400V / 50Hz et les moteurs à induction qui fonctionnent sur cette alimentation dans les industries sont appelés moteurs à induction triphasés.

Pour mieux comprendre le principe de fonctionnement du moteur à induction triphasé, examinons la construction du moteur à induction triphasé.

Ici,

• L'enroulement de phase A commence à partir du segment supérieur suivi du segment inférieur, comme indiqué sur la figure.
• En ce qui concerne les deux extrémités de la phase, un enroulement est connecté à la ligne d'alimentation de la phase A de l'alimentation triphasée tandis que l'autre extrémité est connectée au neutre de la même alimentation triphasée à quatre lignes. Ceci est possible car dans une alimentation triphasée à quatre lignes, nous avons trois premières lignes transportant trois tensions de ligne tandis que la quatrième ligne est neutre.
• Les autres enroulements biphasés suivent le même schéma que la phase A. Dans les deux extrémités de l'enroulement de la phase B, l'un est connecté à la ligne d'alimentation de la phase B de l'alimentation triphasée tandis que l'autre extrémité est connectée au neutre des mêmes trois phases. alimentation à quatre lignes.
• La structure du rotor est similaire à une cage d'écureuil et est du même type de rotor que celui utilisé dans un moteur à induction monophasé.

Maintenant, si nous fournissons l'énergie électrique aux enroulements triphasés du stator, le courant commence à circuler dans les trois enroulements. En raison de ce flux de courant, un champ magnétique sera généré par les bobines et ce champ circulera à travers moins de chemin de résistivité magnétique fourni par le noyau laminé. Ici, la structure du moteur est conçue de telle sorte que le champ magnétique transporté par le noyau se concentre sur l'entrefer au centre où le rotor est placé. Ainsi, le champ magnétique concentré par le noyau au centre de l'entrefer influence les conducteurs du rotor, induisant ainsi un courant en eux.

En présence de courant conducteur, le rotor génère également un champ magnétique qui interagit avec le champ statorique à tout moment. Et en raison de cette interaction, le rotor subit une force qui entraîne la rotation du moteur.

Ici, le champ magnétique généré par le stator est de type rotatif en raison de la puissance triphasée, contrairement au type alternatif dont nous avons parlé dans un moteur monophasé. Et à cause de ce champ magnétique tournant, le rotor commence à tourner de lui-même même en l'absence d'une poussée initiale. Cela fait du moteur triphasé un type à démarrage automatique et nous n'avons pas besoin d'enroulement auxiliaire pour ce type de moteur.