Les équipements rotatifs sont si courants, et pourtant si mal compris, que même les électriciens et ingénieurs très expérimentés sont souvent assaillis de questions sur leur fonctionnement. Cet article répondra à sept des questions les plus fréquemment posées. Les explications sont brèves et pratiques en raison du manque d’espace ; cependant, elles vous permettront de mieux comprendre ces équipements.
Question n° 1 : Armature, champ, rotor, stator : lequel est quoi ?
Par définition, le stator comprend toutes les parties électriques non tournantes d’un générateur ou d’un moteur. Par définition également, le rotor comprend toutes les parties électriques tournantes.
Le champ d’une machine est la partie qui génère le champ magnétique direct. Le courant dans le champ n’est pas alternatif. L’enroulement d’induit est celui qui génère ou auquel est appliquée une tension alternative.
En général, les termes « induit » et « champ » ne s’appliquent qu’aux générateurs de courant alternatif, aux moteurs synchrones, aux moteurs à courant continu et aux générateurs à courant continu.
Générateurs de courant alternatif. Le champ d’un générateur synchrone est l’enroulement auquel est appliqué le courant d’excitation continu. L’induit est l’enroulement auquel la charge est connectée. Dans les petits générateurs, les enroulements de champ sont souvent sur le stator et les enroulements d’induit sur le rotor. La plupart des grandes machines, cependant, ont un champ tournant et un induit stationnaire.
Un moteur synchrone est pratiquement identique à un générateur synchrone. Ainsi, l’induit est le stator et le champ est le rotor.
Les machines à courant continu. Dans les machines à courant continu, aussi bien les moteurs que les générateurs, l’induit est le rotor et le champ est le stator. Parce que l’induit est toujours le rotor sur les machines à courant continu, de nombreux électriciens et ingénieurs croient à tort que l’induit est le rotor sur tous les moteurs et générateurs.
Question n°2 : J’ai relâché la tension du ressort sur mes balais, et ils s’usent toujours trop vite. Pourquoi ?
L’usure des balais provient de deux causes fondamentales : la friction mécanique et l’usure électrique. Le frottement mécanique est causé par le frottement des balais sur le collecteur ou la bague collectrice. L’usure électrique est causée par l’arc et l’étincelle du balai lorsqu’il se déplace sur le collecteur. Le frottement mécanique augmente avec la pression des balais ; l’usure électrique diminue avec la pression des balais.
Pour toute installation de balais donnée, il existe une quantité optimale de pression des balais. Si la pression est diminuée en dessous de cette quantité, l’usure totale augmente car l’usure électrique augmente. Si la pression est augmentée au-dessus de la quantité optimale, l’usure totale augmente à nouveau car la friction mécanique augmente.
Vérifiez toujours que la pression de la brosse est réglée au niveau recommandé par le fabricant. Si l’usure reste excessive, vous devez examiner le type et la taille de la brosse utilisée. N’oubliez pas que la densité de courant (ampères par pouce carré de brosse) doit être correcte pour l’application. Une densité de courant appropriée est nécessaire pour s’assurer qu’un film lubrifiant et conducteur se forme sur le collecteur ou la bague collectrice. Ce film est composé d’humidité, de cuivre et de carbone. Une densité de courant insuffisante empêche la formation de ce film et peut entraîner une usure excessive des balais.
De plus, les environnements à très faible humidité ne fournissent pas suffisamment d’humidité pour la formation du film lubrifiant. Si l’usure excessive des balais est un problème dans un tel environnement, vous devrez peut-être humidifier la zone où la machine fonctionne.
Question n°3 : Qu’est-ce que le facteur de service ?
Le facteur de service est la charge qui peut être appliquée à un moteur sans dépasser les valeurs nominales autorisées. Par exemple, si un moteur de 10 hp a un facteur de service de 1,25, il fournira avec succès 12,5 hp (10 x 1,25) sans dépasser l’élévation de température spécifiée. Notez que lorsqu’il est entraîné au-dessus de sa charge nominale de cette manière, le moteur doit être alimenté avec la tension et la fréquence nominales.
N’oubliez pas, cependant, qu’un moteur de 10 hp avec un facteur de service de 1,25 n’est pas un moteur de 12,5 hp. Si le moteur de 10 cv est utilisé en continu à 12,5 cv, la durée de vie de son isolation pourrait être diminuée jusqu’à deux tiers de la normale. Si vous avez besoin d’un moteur de 12,5 cv, achetez-en un ; le facteur de service ne doit être utilisé que pour des conditions de surcharge à court terme.
Question n° 4 : Qu’est-ce qu’un champ magnétique tournant, et pourquoi tourne-t-il ?
Un champ magnétique tournant est un champ dont les pôles nord et sud se déplacent à l’intérieur du stator, comme si un barreau aimanté, ou des aimants, tournaient à l’intérieur de la machine.
Regardez le stator du moteur triphasé représenté sur le schéma ci-joint. Il s’agit d’un stator à 2 pôles dont les trois phases sont espacées de 120. Le courant de chaque phase entre dans une bobine sur un côté du stator et sort par une bobine sur le côté opposé. Ainsi, si l’une des bobines crée un pôle nord magnétique, l’autre bobine (pour la même phase) créera un pôle sud magnétique sur le côté opposé du stator.
À la position 1, la phase B crée un pôle nord fort en haut à gauche et un pôle sud fort en bas à droite. La phase A crée un pôle nord plus faible en bas à gauche et un pôle sud plus faible en bas. La phase C crée un champ magnétique global, avec son pôle nord en haut à gauche et son pôle sud en bas à droite.
À la position 2, la phase A crée le pôle nord fort en bas à gauche et un pôle sud fort en haut à droite ; les pôles forts ont donc effectué une rotation de 60 dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. (Notez que cette rotation magnétique de 60 correspond exactement à un changement électrique de 60 dans les courants de phase). Les pôles faibles ont également effectué une rotation de 60 dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Cela signifie, en fait, que le champ magnétique total a effectué une rotation de 60 à partir de la position 1.
Avec une analyse plus détaillée, nous pouvons montrer que l’intensité du champ magnétique effectue une rotation régulière de la position 1 à la position 2 alors que les courants de chacune des phases varient sur 60 degrés électriques. L’analyse des positions 3, 4, 5 et 6 montre que le champ magnétique continue à tourner.
La vitesse à laquelle le champ magnétique tourne est appelée vitesse synchrone et est décrite par l’équation suivante :
S = (f x P) / 120 où S = vitesse de rotation en tours par minute f = fréquence de la tension fournie (Hz) P = nombre de pôles magnétiques dans le champ magnétique tournant
Si un aimant permanent était placé dans ce stator, avec un arbre lui permettant de tourner, il serait poussé (ou tiré) à la vitesse synchrone. C’est exactement comme cela que fonctionne un moteur synchrone, sauf que le champ magnétique du rotor (champ) est créé par l’électromagnétisme au lieu d’un aimant permanent.
Le rotor d’un moteur à induction est composé d’enroulements court-circuités, et un courant est induit dans les enroulements du rotor lorsque le champ magnétique tournant les traverse. Ce courant crée un champ qui s’oppose au champ tournant. En conséquence, le rotor est poussé (ou tiré) par le champ tournant. Notez que le rotor du moteur à induction ne peut pas tourner à la vitesse synchrone, car le champ tournant doit traverser les enroulements du rotor pour créer le couple. La différence entre la vitesse synchrone et la vitesse réelle du rotor est appelée le pourcentage de glissement ; elle est exprimée en pourcentage.
Les moteurs monophasés ont également un champ magnétique tournant. Le champ tournant nécessaire au démarrage du moteur est généré à partir d’un deuxième enroulement appelé enroulement de démarrage. Une fois que le moteur a atteint sa vitesse, l’enroulement de démarrage est déconnecté et le champ tournant est développé par l’interaction de l’enroulement principal du stator et du rotor.
Question n°5 : Comment fonctionne un générateur à induction ?
Un générateur à induction est identique dans sa construction à un moteur à induction. Les enroulements du stator sont connectés à un système d’alimentation triphasé, et les trois phases créent un champ magnétique tournant. Le rotor du générateur à induction est mis en rotation par un moteur d’entraînement, qui tourne plus vite que la vitesse synchrone. Lorsque les enroulements du rotor traversent le champ tournant, un courant est induit dans ceux-ci. Ce courant induit crée un champ qui, à son tour, coupe les enroulements du stator pour créer une puissance de sortie vers la charge.
Le générateur à induction tire donc son excitation du système électrique auquel il est connecté. Le moteur à induction doit avoir des générateurs synchrones connectés à son stator pour commencer à générer. Après le fonctionnement du générateur à induction, des condensateurs peuvent être utilisés pour fournir l’excitation.
Question n°6 : Pourquoi les roulements des générateurs et des moteurs sont-ils isolés ?
Le champ magnétique à l’intérieur d’un moteur ou d’un générateur n’est pas complètement uniforme. Ainsi, lorsque le rotor tourne, une tension se développe sur l’arbre longitudinalement (directement le long de l’arbre). Cette tension provoquerait la circulation de microcourants à travers le film lubrifiant des roulements. Ces courants, à leur tour, provoquent des arcs électriques mineurs, un échauffement et, finalement, une défaillance des roulements. Plus la machine est grande, plus le problème s’aggrave.
Pour éviter ce problème, le côté rotor du corps de palier est souvent isolé du côté stator. Dans la plupart des cas, au moins un roulement sera isolé, généralement celui qui est le plus éloigné de la machine motrice pour les générateurs et le plus éloigné de la charge pour les moteurs. Parfois, les deux paliers sont isolés.
Question n° 7 : Comment les générateurs de courant alternatif contrôlent-ils les vars, la tension et la puissance ?
Bien que les commandes d’un générateur interagissent, les généralités suivantes sont vraies.
La puissance de sortie d’un générateur est contrôlée par son moteur principal.
La tension et/ou la contribution des var d’un générateur sont contrôlées par le niveau de courant de l’excitatrice.
Par exemple, supposons qu’une charge supplémentaire soit connectée à la sortie d’un générateur. Le flux de courant supplémentaire augmentera la force du champ magnétique de l’armature et provoquera un ralentissement du générateur. Afin de maintenir la fréquence, le régulateur du générateur augmentera la puissance absorbée par la machine motrice. Ainsi, la puissance supplémentaire requise du générateur est contrôlée par l’entrée de la machine motrice.
Dans notre exemple ici, le flux magnétique net dans l’entrefer diminuera, puisque l’augmentation de l’armature s’oppose au flux du champ. Si le flux de champ n’est pas augmenté pour compenser ce changement, la tension de sortie du générateur diminuera. Ainsi, le courant d’excitation est utilisé pour contrôler la tension de sortie.
Regardons un autre exemple comme une clarification supplémentaire. Supposons qu’une charge var supplémentaire soit ajoutée à notre générateur. Dans cette circonstance, le courant de sortie du générateur augmentera à nouveau. Cependant, comme la nouvelle charge n’est pas une puissance » réelle « , le moteur d’entraînement doit être augmenté seulement assez pour surmonter la chute de RI supplémentaire créée par le courant supplémentaire.
En guise de dernier exemple, supposons que nous avons deux ou plusieurs générateurs fonctionnant en parallèle et alimentant une charge. Le générateur 1 (G1) supporte toute la charge (réelle et réactive) tandis que le générateur 2 (G2) fonctionne à zéro watt et zéro vars. Si l’opérateur de G2 ouvre l’accélérateur de la machine motrice, G2 commence à fournir des watts au système. Comme la charge connectée n’a pas changé, les deux générateurs vont accélérer, à moins que G1 ne réduise les gaz.
A mesure que G2 prend une part supplémentaire de la charge, il nécessite un flux de champ accru. Si l’opérateur de G2 n’augmente pas le champ de G2, G2 tirera son excitation supplémentaire de G1, ce qui obligera G1 à augmenter son niveau d’excitation. Si ni G1 ni G2 n’augmentent le niveau d’excitation, la tension globale du système diminuera.
Cadick, P.E. est président de Cadick Professional Services, Garland, Tex, membre de l’interNational Electrical Testing Assoc. (NETA).