Electricité
Les moteurs synchrones
synchrone
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Le moteur à réluctance variable est un moteur de type synchrone (il tourne à la même vitesse que la fréquence du réseau). Il est une évolution du moteur pas-à-pas.
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Moteurs à réluctance

La réluctance est la résistance magnétique d'un circuit. Le champ magnétique tente de réduire cette résistance, par exemple en attirant une plaque de métal pour réduire l'entrefer. Les électro-aimants sont basés sur ce principe.

La réluctance, c'est en fait le contraire de la perméabilité magnétique: l'air est peu conducteur du champ magnétique: il a une réluctance élevée et une perméabilité très faible

Le moteur à réluctance variable est un moteur synchrone qui fonctionne comme un électro-aimant. Il se compose d'un rotor avec des pôles saillants en acier facilement magnétisable. Le nombre de pôles du rotor ne correspond pas à celui du stator. Une combinaison souvent rencontrée est 6/8. La combinaison 4/6 est utilisée dans les gros moteurs industriels alimentés en triphasé.

En envoyant du courant dans un des bobinages (par exemple les bobines indiquées "C") les pôles saillants du rotor sont attirés en face du bobinage magnétisé et le rotor tourne d'un "pas" dans le sens des aiguilles d'une montre. Si on alimente les bobines "D", le moteur va tourner d'un pas dans le sens inverse.

A droite, la construction d'un moteur à réluctance variable de petite puissance et de basse vitesse (nombre important de pôles). Les pôles saillants limitent la vitesse maximale à cause du freinage de l'air. On remplit souvent les creux avec un métal non ferromagnétique ou de l'époxy.

Les moteurs synchrones et les moteurs à réluctance variable sont utilisés comme moteurs pas-à-pas et commandés électroniquement. Dans les applications les plus courantes (moteurs d'imprimante, de scanner, moteur dans des appareils médicaux, etc) la commande se fait avec un signal carré. Ce signal produit des variations de couple importantes et un bruit caractéristique. Dans les applications où une puissance plus élevée est nécessaire, on alimente les bobinages avec un courant sinusoïdal, le courant de chaque bobinage étant déphasé.

Ces deux types de moteur permettent également un frein moteur efficace en alimentant en permanence un ou deux bobinages. Le moteur à réluctance variable ne peut pas fonctionner comme générateur, puisque le magnétisme du rotor n'est pas permanent.

A gauche, on voit l'induction (H) de chaque pôle selon la rotation du rotor (il s'agit d'un moteur à 6 pôles statoriques, donc trois bobinages). L'induction est maximale quand l'entrefer est minimal, donc quand le pôle saillant du rotor se trouve en face du pôle du stator.

Pour produire un champ tournant, il faut exciter le pôle statorique (courant I) au moment où le pôle du rotor se dirige vers lui, donc avant le pic de l'induction.

Quand on remarque la "courbe" du courant dans un bobinage, on voit qu'il ne correspond absolument pas au courant alternatif triphasé.

On utilise un signal carré (qui est plus facile à réaliser avec un hacheur) mais on peut tout aussi bien utiliser une courbe de gauss qui réduit les variations de couple.

La polarité du courant ne joue en principe aucun rôle, c'est l'intensité du courant qui est déterminante. Il faut simplement produire un champ magnétique, mais qu'il soit N-S ou S-N ne joue aucun rôle.

Pour les basses vitesses et basses puissances, il est possible de se passer d'un capteur de position: l'électronique force le moteur pas-à-pas dans une position donnée. Si la charge est trop importante ou si on veut faire accélérer le moteur trop rapidement, il saute un pas.

La variation de couple d'un tel moteur est très importante et produit des vibrations audibles. Ce type n'est pas utilisé pour les grandes puissances.

Moteurs à réluctance variable de grande puissance

Le moteur à réluctance variable ne peut pas être alimenté directement en triphasé. Comme tous les moteurs synchrones, il n'a pratiquement pas de couple au démarrage et la forme sinusoïdale de l'alimentation n'est pas adaptée au moteur.

Il nécessite un variateur de fréquence adapté qui permet de commander chaque phase individuellement (plan à droite). Les doubles transistors permettent une augmentation du champ magnétique dans un bobinage (les deux transistors en conduction), une réduction du champ magnétique et réinjection de l'énergie dans le réseau (transistors coupés) ou un maintient du champ magnétique (un transistor en conduction qui ferme le circuit de la diode en roue libre).

Le moteur à réluctance variable à commutation électronique (MRVCE) est donc resté très longtemps dans les oubliettes de l'histoire de l'électricité, jusqu'à l'apparition de variateurs de fréquence conçus pour ce type de moteur. Le variateur de fréquence permet un fonctionnement souple à toutes les vitesses et le rendement est meilleur qu'avec un moteur asynchrone.

Rotor laminé axialement

A droite un moteur industriel à réluctance variable. Les pôles saillants ont disparu (et avec eux le couple très irrégulier).

Les parties foncées sont des barrières de flux contenant une colle époxy (ce sont les parties claires du moteur ci-dessous, où on utilise un métal non magnétique).

Certains moteurs peuvent avoir une cage d'écureuil en aluminium, ce qui permet un démarrage direct sur le réseau. Ce type de moteur est moins adapté pour les variateurs de fréquence adaptés, car la forme non-sinusoïdale des courants produit des pertes dans les barreaux.

Ce moteur peut être alimenté en triphasé "normal", mais nécessite toujours un variateur. Le meilleur rendement est atteint avec un variateur adapté, mais il n'a plus besoin de commande indépendante de chaque bobinage (la commande classique avec trois fils est possible).
La firme ABB est spécialisée dans ce type de moteur et fournit un variateur adapté.


Voici la courbe des courants dans les trois phases. Elle dépend des caractéristiques du moteur utilisé.

Le MRV est utilisé là où il faut de toute façon un variateur de fréquence (débit variable de pompes et de ventilateurs) ou là où l'ajout d'un variateur de fréquence améliore le système. Un exemple est le compresseur d'un gros groupe frigorifique: il peut travailler en tout-ou-rien ou en variation de fréquence où il permet un fonctionnement plus souple (et des économies).

Pour récupérer l'investissement, il faut que le système fonctionne pratiquement en continu, par exemple dans la climatisation, les grands frigos industriels,... Le moteur permet à lui seul une économie de 6% sur la facture électrique.

Le moteur à réluctance variable était déjà connu de certains professionnels, mais a reçu un regain d'intérêt quand on a appris que les moteurs des nouvelles voitures électriques de Tesla étaient équipées d'un tel moteur.

Ce moteur n'a pû être mis sur le marché qu'avec l'apparition des variateurs de fréquence adaptés (mais actuellement il existe des moteurs qui fonctionnent avec un variateur classique).

Moteurs de voitures électriques

Les moteurs utilisés dans les voitures électriques qoivent avoir des capacités particulières. De là dépend la facilité d'utilisation et l'autonomie du véhicule. Quand le rendement du moteur augmente de 1%, cela augmente l'autonomie de la voiture d'une dixaine de kilomètres.

Mais on oublie ici bien sûr de mentionner que lors de la charge, on perd directement plus de 10% (jusqu'à 25% dans le cas de certaines voitures). Il est vrai que ces chiffres désastreux ne se retrouvent dans aucunes statistiques; le constructeur n'affiche que l'autonomie maximale de la voiture dans les meilleures circonstances, mais n'indique pas que pour charger un accu de 50kWh, tu as en fait payé 60kWh!

Bon, revenons-en à nos voitures. Le moetur doit avoir un couple élevé, surtout aux basses vitesses, et avoir une plage de fonctionnement élevée.

Les images à droite représentent le rotor d'un moteur de voiture électrique. Le stator a 4 pôles (mais il existe également des moteurs à 6 pôles).

Le moteur à aimants permanents a le meilleur rendement aux basses vitesses: un couple très élevé et pas de glissement (qui produits des pertes). Mais aux vitesses plus élevées, les aiments produisent une force contre-électromotrice dans les bobinages. Cette force contre-électromotrice produit une tension induite dans le bobinage qui s'oppose à la tension appliquée aux bobinages par l'électronique de puissance. C'est en fait comme si la tension appliquée au bobinages du stator diminuait: le couple du moteur diminue avec la vitesse.

Le moteur à réluctance variable n'a pas d'aimants et ne produit pas de force contre électromotrice. Le couple reste pratiquement constant à toutes les vitesses.

Pour avoir des accélérations puissantes et un couple qui reste élevé aux hautes vitesses, on va combiner les deux systèmes. Le moteur des dernières voitures Tesla a ainsi à la fois les fentes du moteur à réluctance variable et les aimants du moteur synchrone. Les aimants sont choisis pour avoir une très faible réluctance et se comportent comme une couche d'air: ces aimants peuvent ainsi être placés dans les fentes.

Le moteur a en plus un capteur de position, et c'est ici que cela devient très interessant. En modifiant la phase du courant dans les bobinages par rapport à la position du rotor, on peut favoriser l'effet des aimants ou de la réluctance. Quand le conducteur met pied au plancher, l'électronique va favoriser l'effet des aimants (avec un rendement un peu moindre à cause de la force contre-électromotrice), tandis que quand le conducteur conduit "cool" le déphasage est tel que le moteur travaille en moteur à réluctance variable.

La présence d'aimants dans le rotor fait que le moteur peut aisément travailler en alternateur pour récupérer l'énergie (frein moteur à récupération). C'est la force contre électromotrice qu'on veut éviter lors de l'accélération qu'on utilise ici lors du freinage.

Il n'y a pas que Tesla qui utilise ce type de moteur. Toyota (et probablement d'autres fabricants)utilise le même principe dans ses voitures hybrides, mais Toyota est moins à la mode que Tesla.

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