Les champs tournants - Physique Appliquée - Free

Sommaire des Champs tournants Les champs tournants 2
I) Introduction : 2
II) Production d'un champ tournant : 2
II.1) Champ créé par un enroulement porté par le stator, parcouru par un
courant sinusoïdal 2
II.2) Décomposition d'un champ fixe alternatif en deux champs
tournants : Théorème de Leblanc 2
II.3) Champ créé par un bobinage fixe triphasé parcouru par des courants
triphasés. = champ tournant. 3
II.4) Champ créé par trois enroulements portes par le stator, parcourus
par un système triphasé de courants 3
II.4.1) La machine est bipolaire 3
II.4.2) Observation du caractère tournant de ce champ 3
II.4.3) Généralisation à une machine multipôlaire 5
III) Définition d'un champ tournant : 5
III.1) Allure du champ créé par une spire : 5
III.2) L'enroulement est immobile. 7
III.2.1) L'enroulement est bipolaire 7
III.2.2) L'enroulement est multipolaire 8
III.3) L'enroulement tourne à vitesse constante 8
IV) Principe des machines synchrones et asynchrones : 8
IV.1) Principe du moteur synchrone : 8
IV.2) Principe du moteur asynchrone : 8
IV.3) Principe de l'alternateur : 9
V) Liens : 9
Les champs tournants 1 Introduction : Un champ tournant est un champ magnétique dont l'orientation pivote au
cours du temps. Les champs tournants sont créés afin qu'ils entrainent des pièces
présentant une certaine polarité créant ainsi des moteurs.
Si le champ tournant est créé par des pièces fixes (que l'on appellera
stator) alimentées en alternatif, il entraine (c'est donc un moteur) un
rotor (si c'est à la même vitesse que le champ tournant c'est alors un
moteur synchrone sinon c'est un moteur asynchrone) qui aura tendance à
aligner son champ magnétique (champ magnétique créé par un aimant permanent
ou un bobinage alimenté en continu pour le moteur synchrone ou champ
magnétique induit par le fait que le rotor voit le champ tournant varier
autour de lui, c'est donc un moteur asynchrone) sur celui du champ tournant
créé par le stator. Afin d'expliquer davantage les fonctionnements des moteurs synchrones et
asynchrones ainsi que des alternateurs.
Les chapitres suivant décrivent
. le mode de création des champs tournants grâce au stator
. l'influence de la construction de la pièce polaire en rotation
(le rotor)
. les applications de ces champs tournants sur les moteurs
synchrones et asynchrones ainsi que les alternateurs. 2 Production d'un champ tournant : Pour créer un champ tournant deux possibilités :
- Rotation d'un aimant ou d'un électroaimant (alimenté en continu)
- Bobinages fixes espacés de 120° et parcourus par des courants
triphasés.
En effet 1 Champ créé par un enroulement porté par le stator, parcouru par un
courant sinusoïdal |Le champ magnétique en un point M dépend : |[pic] |
|de la position du point M dans l'entrefer, | |
|du temps puisque le courant est de la forme i = | |
|[pic]cos(t | |
|D'où l'expression : [pic] | |
|Où B est orienté perpendiculairement à l'entrefer. | |
2 Décomposition d'un champ fixe alternatif en deux champs tournants :
Théorème de Leblanc Ce champ n'est pas tournant. Par contre, on peut le décomposer en une somme
de champs magnétiques de module Bo, tournant en sens inverse l'un de
l'autre (théorème de Leblanc ) et qui se neutralisent.
En effet :
[pic]
[pic]
Si on neutralise une de ces composantes, on obtient un champ tournant.
3 Champ créé par un bobinage fixe triphasé parcouru par des courants
triphasés. = champ tournant. [pic] [pic]
Voir les animations
4 Champ créé par trois enroulements portes par le stator, parcourus par un
système triphasé de courants
1 La machine est bipolaire |On considère un enroulement triphasé formé de trois |[pic] |
|bobines identiques, dont les axes sont décalés de 120 | |
|° ( fig. 7 ). Elles sont respectivement parcourues par | |
|les courants: | |
|i1(t) = [pic] ; | |
|i2(t) = [pic] ; | |
|i3(t) = [pic] | |
Les normales orientées [pic], [pic], [pic], des bobines, les champs [pic],
[pic], [pic] créés par celles-ci sont représentés ci-dessous. Représenter
le champ résultant [pic], aux instants t = 0 , T/6 , T/3 .
Le champ magnétique en un point M est de la forme [pic] ce que l'on
démontrera par la suite.
2 Observation du caractère tournant de ce champ
[pic]
( t = 0 s ( (t = 0 rad
[pic]
[pic][pic]
[pic]
( t = [pic] ( (t = [pic] rad
[pic]
[pic]
[pic]
[pic] [pic] = [pic]
( t = [pic] ( (t = [pic] rad
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic] = [pic]
Constatations: tout revient à la rotation d'un champ magnétique [pic] de
module [pic] à la vitesse angulaire
( = [pic] / [pic] = . [pic]. D'où ( = (.
Remarque : l'axe de [pic] coïncide avec l'axe d'une phase, chaque fois que
l'intensité du courant est maximale dans cette phase ( l'ordre des phases
impose le sens de rotation de[pic], donc le sens de rotation de la machine. 3 Généralisation à une machine multipôlaire
1 Approche qualitative : Chaque enroulement comporte p bobines en série ( p paires de pôles )
disposées de manière à faire apparaitre une succession de pôles N et S:
chaque phase alimente p bobines en série;
le décalage entre les axes de 2 bobines successives est [pic].
Par comparaison avec une machine bipôlaire, l'axe du champ magnétique
tournant [pic] coïncide avec l'axe d'une bobine chaque fois que l'intensité
est maximale dans la phase alimentant cette bobine.
L'angle entre les axes de 2 bobines successives étant p fois plus petit, la
fréquence f est p fois plus grande |f = p n |
2 Approche quantitative : Théorème de Ferraris : P systèmes de bobines triphasées réparties régulièrement sur le périmètre
d'un entrefer et alimentées par un système de courants triphasés de
pulsation ( créent p paires de pôles d'un champ tournant de pulsation
? = (/ p. La valeur du champ est maximale en un point de l'axe d'une bobine quand
l'intensité du courant dans cette bobine passe par sa valeur maximale. I1=I Mcos wt ; i2=IMcos( wt -2 ( /3) ; i3=IMcos( wt -4 (/3) H1(P,t)=H M cos p( ; H2(P,t)= HMcos( p( -2( /3) ; H3(P,t)=HMcos ( p( - 4
(/3)
avec HM1=Ki1, HM2=Ki2, HM3=Ki3.
Ce qui donne
H1(P,t)=K I Mcos wt cos p( ; H2(P,t)= KIM cos( p( -2( /3) cos( wt -2(
/3) ; H3(P,t)=KIM cos ( p( - 4 (/3)
cos ( wt - 4 (/3) On peut montrer que:
H(P,t)= H1+H2+H3=3/2KIM cos(p( -wt)= 3/2 KIMcos p((- (t) ce qui est bien la
formule d'un champ tournant. 3 Remarque importante : la réaction magnétique d'induit Si le champ magnétique est créé par un enroulement au rotor, il crée des
courants induits dans un enroulement du stator; mais ces courants induits
créent à leur tour un champ magnétique secondaire qui se superpose au champ
magnétique principal en le déformant : c'est la réaction magnétique
d'induit.
( Il en est de même si le champ magnétique est créé par un enroulement
triphasé au stator ) 3 Définition d'un champ tournant : On va s'intéresser au champ dans l'entrefer.
L'inducteur situé sur le rotor est alimenté par un courant continu et crée
le champ rotorique.
1 Allure du champ créé par une spire : Dans l'entrefer :
-La spire est parcourue par du courant continu.
-On comptera b positif s'il sort du rotor.
-Le champ n'est pas sinusoïdal ; on prend le fondamental.
a) A l'arrêt :
b=Bm cos(
Si on a plusieurs pôles :Exemple :Rotor tétrapolaire à l'arrêt. b=Bm cos(e =Bmcos
p( p nombre de paires de pôles (e = p( Système en rotation :
[pic]
Le champ magnétique crée par un bobinage alimenté en continu et entraîné en
rotation tourne. C'est un champ tournant.
Expression du champ tournant créé par un rotor 2p polaire : b=Bm cos((e -p(t) =Bmcos p((-
(t)
2 L'enroulement est immobile.
1 L'enroulement est bipolaire |L'enroulement, placé sur le rotor de la machine, est |[pic] |
|constitué de spires telles que leurs conducteurs sont | |
|disposés dans des encoches | | |L'observation des lignes de champ montre que : |[pic] |
|[pic]est radial dans l'entrefer ; | |
|B varie selon la position du point M considéré. | |
|En effet : | |
|- B a même valeur en tout point d'une ligne de champ, | |
|- B est d'autant plus élevé que le nombre de | |
|conducteurs enlacés par la ligne de champ passant par | |
|le point M est élevé. | |
|Conséquences : | |
|B est maximal selon l'axe Ox et nul selon l'axe Oy . | |
|L'orientation de [pic] est obtenue par la règle de la | |
|main droite. En déduire les pôl