Moteurs à induction monophasés

Les moteurs à induction monophasés jouent un grand rôle dans les systèmes électriques modernes car ils sont faciles à utiliser, fiables et rentables.Ils fonctionnent sur un courant alternatif monophasé (AC) et sont largement utilisés dans les appareils électroménagers et commerciaux tels que les ventilateurs, les machines à laver et les aspirateurs.Ces moteurs transforment l'énergie électrique en énergie mécanique par induction électromagnétique.Même si leur conception est simple, ils sont confrontés à des défis comme l'incapacité de commencer par eux-mêmes, ce qui est résolu en utilisant des mécanismes comme les condensateurs et les enroulements auxiliaires.Cet article examine la construction, les principes de travail, les avantages, les inconvénients et les applications des moteurs à induction monophasés, fournissant une compréhension complète de leur fonctionnement et de leur importance.

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Figure 1: Présentation du moteur à induction monophasé

Qu'est-ce que les moteurs à induction monophasés

Un moteur à induction monophasé est un moteur électrique qui fonctionne sur un courant alternatif monophasé (AC).Ces moteurs convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique en utilisant des interactions électromagnétiques.Ils sont communs dans les appareils électroménagers comme les ventilateurs, les machines à laver, les aspirateurs et plus encore parce qu'ils sont simples à construire et faciles à entretenir.

Un moteur à induction monophasé fonctionne sur un système d'alimentation monophasé, ce qui est plus courant dans les maisons et les entreprises que les systèmes triphasés.Ces systèmes sont plus abordables et répondent aux besoins de puissance inférieurs typiques dans les maisons, les magasins et les bureaux.La conception de moteurs à induction monophasée est simple, ce qui les rend rentables, fiables et faciles à entretenir.En raison de ces avantages, ils sont largement utilisés dans les appareils électroménagers tels que les aspirateurs, les ventilateurs et les machines à laver, ainsi que dans des appareils tels que les pompes et les souffleurs centrifuges.

Lors du démarrage d'un moteur à induction monophasé, il est connecté à une alimentation monophasée.Étant donné que les moteurs monophasés ne peuvent pas commencer seuls, ils ont besoin d'un mécanisme de départ, comme un condensateur ou un enroulement auxiliaire.Ce mécanisme crée un décalage de phase, ce qui fait un champ magnétique rotatif qui induit le courant dans le rotor.Une fois que le moteur commence, le mécanisme de départ, souvent un contrat de condensateur ou un enroulement auxiliaire, est généralement déconnecté par un interrupteur centrifuge ou un relais électronique.Le moteur ne fonctionne alors que sur l'enroulement principal.Pendant le fonctionnement, le rotor suit le champ magnétique rotatif créé par le stator, provoquant le tour du moteur.

Figure 2: Diagramme du moteur à induction monophasé

Construction de moteurs à induction monophasés

La construction d'un moteur à induction monophasé comprend deux pièces principales: le stator et le rotor.Chaque partie joue un rôle clé dans la fonctionnalité du moteur.

Stator

Le stator est la partie non déplacée du moteur et a des bobines qui reçoivent l'alimentation AC.Le stator d'un moteur à induction monophasé est fait de feuilles d'acier mince pour réduire la perte d'énergie.Ces feuilles ont des créneaux qui contiennent le stator ou la bobine principale.L'acier en silicium est généralement utilisé pour ces feuilles pour réduire la perte d'énergie due au magnétisme.

Le stator a deux bobines: la bobine principale et la bobine auxiliaire.La bobine principale crée le champ magnétique qui induit le courant dans le rotor, tandis que la bobine auxiliaire aide à créer un décalage de phase dans le champ magnétique, en aidant à démarrer le moteur.Cette bobine est placée à un angle de 90 degrés par rapport à la bobine principale.

Rotor

Le rotor est la partie du moteur qui tourne et déplace la charge mécanique à travers l'arbre.Dans les moteurs à induction monophasés, le rotor est généralement du type de cage d'écureuil.Ce type a des barres en aluminium ou en cuivre placées dans un noyau rond.Ces barres sont connectées aux deux extrémités par des anneaux de fin, formant une boucle, c'est pourquoi il s'appelle une "cage d'écureuil".Le rotor est construit avec ces barres agissant comme des conducteurs, et les anneaux d'extrémité les relient aux deux extrémités.Les fentes tenant les barres sont inclinées pour réduire le bruit et empêcher le verrouillage magnétique.

Figure 3: Conception du rotor de cage d'écureuil

Principe de travail des moteurs à induction monophasés

Les moteurs à induction monophasés fonctionnent par induction électromagnétique.Lorsqu'il est connecté à une alimentation CA monophasée, l'enroulement du stator crée un champ magnétique changeant.Ce champ induit un courant dans le rotor, qui forme ensuite son propre champ magnétique.L'interaction entre ces champs magnétiques produit la force nécessaire pour faire tourner le rotor.

Le champ magnétique alterné dans le stator, entraîné par l'alimentation AC, induit une force électromotive (EMF) dans les conducteurs de rotor en fonction de la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique.Cette FMF induite génère des courants dans les barres de rotor, généralement en aluminium ou en cuivre.Ces courants créent un champ magnétique secondaire autour des barres de rotor.L'interaction entre les champs magnétiques du stator et du rotor génère une force, connue sous le nom de force de Lorentz, qui produit le couple pour faire tourner le rotor.

Le moteur atteint un état d'équilibre où la vitesse du rotor est légèrement inférieure à la vitesse synchrone du champ magnétique du stator.Cette différence de vitesse, appelée glissement, est nécessaire pour l'induction continue du courant dans le rotor, en gardant le moteur en marche.Tant que l'alimentation AC est présente, ce processus se poursuit, ce qui entraîne la rotation du moteur.

Pour démarrer le moteur, des mécanismes tels que des condensateurs ou des enroulements auxiliaires sont utilisés pour créer un décalage de phase initial, générant un champ magnétique rotatif pour démarrer le rotor.Une fois que le rotor gagne suffisamment de vitesse, ces aides de démarrage sont généralement déconnectées, permettant au moteur de fonctionner sur l'enroulement principal.L'entretien régulier, y compris la vérification de la charge et la garantie d'une ventilation appropriée, aide à prévenir les problèmes tels que la surchauffe et l'usure mécanique, assurant de bonnes performances et une longue durée de vie.

Figure 4: Induction électromagnétique dans les moteurs à induction monophasés

Pourquoi les moteurs à induction monophasés ne démarrent pas d'auto-démarrage

Contrairement aux moteurs triphasés, les moteurs à induction monophasés ne peuvent pas commencer par eux-mêmes.En effetCe champ de tremblement agit comme deux champs magnétiques tournant dans des directions opposées avec une force égale.Lorsque le moteur essaie de commencer, ces champs s'annulent mutuellement, ne faisant aucune force pour tourner le rotor.

Selon la théorie tournante à double champ, tout courant alternatif peut être divisé en deux parties.Chaque partie a la moitié de la force du courant d'origine, et ils tournent dans des directions opposées.Par exemple, un flux magnétique, φ, peut être divisé en deux parties: l'une avançant et l'autre se déplaçant en arrière.Lors du démarrage, ces pièces sont égales en force mais se déplacent dans des directions opposées, s'annulant mutuellement et ne créant aucune force pour tourner le rotor.

Construire un moteur biphasé pour résoudre des problèmes monophasés

Pour résoudre le problème monophasé, un bon moyen est de fabriquer un moteur biphasé qui peut créer une puissance biphasée à partir d'une alimentation monophasée.Cela signifie concevoir un moteur avec deux bobines placées à 90 degrés éloignées électriquement.Ces bobines reçoivent ensuite deux phases de courant qui sont également décalées de 90 degrés dans le temps.

Ce type de moteur est appelé moteur de condensateur permanent.La clé de son travail est l'utilisation d'un condensateur, ce qui crée le décalage de phase nécessaire entre les courants dans les deux bobines.En faisant ce décalage de phase, le moteur peut produire un champ magnétique rotatif, similaire à ce qui serait fabriqué par une véritable alimentation biphasée.

Le résultat est un moteur qui peut démarrer et bien fonctionner sur une alimentation monophasée lors de la copie des performances d'un moteur biphasé.Cette méthode résout les problèmes des moteurs monophasés, qui ont souvent des problèmes avec la puissance de démarrage et le fonctionnement en douceur.Le moteur de condensateur permanent mélange la simplicité et la disponibilité de puissance monophasée avec les meilleures performances d'un système moteur biphasé.

Moteurs de condensateur à split permanent

Figure 5: moteurs de condensateur permanents

Les moteurs de condensateurs permanents utilisent un condensateur qui est toujours connecté en série avec l'enroulement auxiliaire.Cette configuration crée un décalage de phase pour le démarrage et l'exécution, permettant au moteur de démarrer et d'exécuter efficacement.Ces moteurs sont plus simples et plus fiables car ils n'ont pas de commutateur.Ils ont deux enroulements (principaux et auxiliaires) espacés de 90 degrés.Le condensateur fournit le décalage de phase nécessaire pour créer un champ magnétique rotatif.

Cependant, ce type de moteur subit une augmentation du changement de temps et de temps en arrière à mesure qu'il accélère, provoquant des pulsations de couple à pleine vitesse.Pour résoudre ce problème, le condensateur est maintenu petit pour minimiser les pertes.Les pertes sont inférieures à celles d'un moteur à poteau ombré, et cette configuration fonctionne bien jusqu'à 1/4 chevaux (200 watts).La direction du moteur est facilement inversée en changeant le condensateur en série avec l'autre enroulement.Ces moteurs sont utilisés dans les ventilateurs de plafond, les ventilateurs de ventilateurs et les machines de bureau.

Méthodes de démarrage pour les moteurs à induction monophasés

Pour résoudre le problème de l'auto-démarrage dans les moteurs, diverses techniques sont utilisées pour créer un champ magnétique rotatif initial.Ces méthodes comprennent les moteurs à induction en phase divisée, les moteurs d'induction de démarrage des condensateurs, les moteurs d'induction dirigés par des condensateurs, les moteurs de condensateurs permanents et les moteurs à pôles ombrés.

Moteurs à induction en phase divisée

Les moteurs à induction en phase divisée utilisent deux enroulements: un enroulement principal et un enroulement auxiliaire, placé à 90 degrés.L'enroulement auxiliaire a une résistance plus élevée et une réactance inductive plus élevée, provoquant un décalage de phase entre les courants dans les deux enroulements.Ce décalage de phase crée un champ magnétique rotatif, permettant au moteur de commencer.

Pendant le fonctionnement, les deux enroulements sont sous tension pour démarrer le moteur.Une fois que le moteur atteint environ 70 à 80% de sa vitesse complète, un commutateur centrifuge déconnecte l'enroulement auxiliaire.Le moteur continue ensuite de fonctionner sur l'enroulement principal.Ces moteurs sont utilisés dans les ventilateurs, les soufflantes et les petits machines-outils.

Condensateur-démarrage des moteurs à induction

Dans les moteurs de démarrage des condensateurs, un condensateur est connecté en série avec l'enroulement auxiliaire.Ce condensateur améliore le décalage de phase entre les courants dans les enroulements principaux et auxiliaires, offrant un couple de départ plus élevé.Un commutateur centrifuge déconnecte l'enroulement auxiliaire une fois que le moteur atteint une certaine vitesse.Ces moteurs sont utilisés dans les applications nécessitant un couple initial significatif, tel que les compresseurs d'air, les pompes et les réfrigérateurs.

Condensateur-démarrage des moteurs d'induction dirigée par des condensateurs

Condensateur-start Les moteurs dirigés par des condensateurs utilisent deux condensateurs: un condensateur de départ pour un couple de démarrage élevé et un condensateur de course pour des performances améliorées.Le condensateur de départ fournit un couple de démarrage élevé, tandis que le condensateur de course reste dans le circuit pour améliorer l'efficacité de course.Le condensateur de départ est déconnecté par un interrupteur centrifuge une fois que le moteur atteint la vitesse souhaitée.Ces moteurs sont utilisés dans les réfrigérateurs, les climatiseurs et les pompes robustes.

Moteurs à pôles ombrés

Les moteurs à pôles ombrés utilisent des anneaux de cuivre (bobines d'ombrage) autour d'une partie du poteau.Ces bobines d'ombrage créent un champ magnétique retardé, produisant un effet rotatif qui aide à démarrer le moteur.Ces moteurs sont simples et peu coûteux mais offrent un couple et une efficacité de départ faibles.Les moteurs à pôles ombrés sont utilisés dans de petits appareils comme les ventilateurs, les sèche-cheveux et les petites pompes.

Comparaison entre les moteurs d'induction monophasés et triphasés

Figure 6: moteurs d'induction monophasé et triphasé

Les moteurs à induction monophasés sont très différents des moteurs à induction triphasés en termes de construction, de performance et d'efficacité.Les moteurs monophasés ont une conception plus simple avec moins d'enroulements.Cela les rend plus petits et moins chers, mais ils ne fonctionnent pas aussi bien et sont moins efficaces.Les moteurs monophasés ont un facteur de puissance inférieur car ils n'ont pas de champ magnétique en rotation continue.Cela signifie qu'ils dessinent plus de courant pour produire la même puissance de sortie par rapport aux moteurs triphasés.En revanche, les moteurs triphasés utilisent les trois enroulements en continu, ce qui améliore le facteur de puissance et réduit le tirage au courant de la même puissance de sortie.

Pour la même taille, un moteur triphasé peut produire plus de puissance car il utilise les trois enroulements à la fois, tandis qu'un moteur monophasé n'utilise qu'un seul enroulement à la fois.Cette utilisation constante de tous les enroulements dans des moteurs triphasées permet une meilleure conversion de l'énergie électrique en puissance mécanique.Les moteurs triphasés génèrent un couple de départ plus élevé en raison du champ magnétique rotatif continu créé par l'alimentation triphasée.Les moteurs monophasés ont besoin de pièces supplémentaires, comme des condensateurs ou des enroulements auxiliaires, pour créer suffisamment de couple de départ.Ces pièces de départ créent un décalage de phase initial pour produire un champ magnétique rotatif nécessaire pour démarrer le mouvement du rotor.

Les moteurs triphasés sont plus efficaces car ils partagent la charge électrique sur trois enroulements.Ce partage réduit le courant par enroulement, réduisant les pertes électriques et l'accumulation de chaleur.Les moteurs monophasés ont des pertes plus élevées en raison du champ magnétique pulsé, ce qui entraîne une résistance et une chaleur plus électriques dans les enroulements.Pratiquement, les moteurs triphasés sont meilleurs pour les utilisations industrielles et commerciales où une puissance et une efficacité élevées sont nécessaires.Ils fonctionnent plus facilement, ont un couple de démarrage plus élevé et fonctionnent mieux dans l'ensemble.Les moteurs monophasés sont bons pour les utilisations plus petites et de faible puissance, mais ont besoin d'une attention particulière aux méthodes de démarrage et à la gestion de la charge pour s'exécuter de manière fiable.Une maintenance régulière est nécessaire pour minimiser les pertes plus élevées et empêcher les problèmes de surchauffe fournis avec des moteurs monophasés.

Circuit équivalent de moteurs à induction monophasés

Le circuit équivalent d'un moteur à induction monophasé est créé en utilisant la théorie tournante à double champ ou la théorie du champ transversal.Ces théories nous aident à comprendre comment le moteur fonctionne dans différentes conditions.

Théorie tournante à double champ

Cette théorie indique que toute quantité alternative peut être divisée en deux parties qui tournent dans des directions opposées.Dans un moteur à induction monophasé, le champ magnétique principal peut être divisé en deux composants se déplaçant dans des directions opposées.Ces composants interagissent avec le rotor pour produire le couple requis.Les paramètres de circuit équivalent comprennent la résistance de l'enroulement principal (R1M), la réactance de fuite de l'enroulement principal (X1M), la réactance magnétisante (XM), la résistance au rotor de statistique référencé à l'enroulement principal (R2 ') et à la suppression de l'arrêtLa réactance des fuites du rotor fait référence à l'enroulement principal (x2 ').

Théorie du champ transversal

La théorie du champ croisé examine comment le mouvement du rotor affecte le champ magnétique du stator, ce qui est important pour comprendre le comportement moteur.En étudiant cette interaction, nous pouvons comprendre les paramètres de circuit équivalent pour analyser et prédire les performances du moteur.Le circuit équivalent comprend la résistance du stator (R1), la réactance du stator (x1), la résistance au rotor (R2 ') référé du côté stator, la réactance du rotor (x2') référé du côté stator et la réactance magnétisante (XM).

Ce circuit facilite l'analyse du courant, de la tension, du facteur de puissance, de l'efficacité et du couple.Cela nous aide à comprendre comment le moteur commence et fonctionne.Les ingénieurs utilisent le circuit équivalent pour améliorer la conception, diagnostiquer les défauts et développer des stratégies de contrôle pour la vitesse et la régulation du couple.Comprendre ce circuit est important pour la conception, l'exploitation et le maintien de moteurs à induction monophasés, ce qui améliore leurs performances dans différentes applications.

Avantages et inconvénients des moteurs à induction monophasés

Les moteurs à induction monophasés sont très populaires dans les maisons et les entreprises car ils sont simples, fiables et pas trop chers.Sachant où ils sont utilisés, leurs bons points et leurs mauvais points peuvent vous aider à choisir le bon moteur pour ce dont vous avez besoin.

Les moteurs à induction monophasés sont utilisés dans beaucoup de choses car ils sont simples et fiables.Ils se trouvent dans les appareils électroménagers tels que les ventilateurs, les machines à laver, les aspirateurs et les réfrigérateurs.Dans les pompes, ils sont utilisés dans les pompes à eau et les pompes de puisard.Les compresseurs utilisent ces moteurs dans les compresseurs d'air et les compresseurs de réfrigération.Les souffleurs alimentés par ces moteurs sont utilisés dans les systèmes CVC.Les transformateurs alimentaires tels que les mélangeurs, les broyeurs et les mélangeurs utilisent également des moteurs à induction monophasés.Ces moteurs sont choisis pour ces applications car ils fonctionnent bien et durent longtemps.

Figure 7: Applications communes des moteurs à induction monophasés

Avantages des moteurs à induction monophasés

Les moteurs à induction monophasés sont appréciés pour de nombreuses raisons.Ils sont construits simplement, ce qui les rend faciles à prendre en charge et moins chers à faire et à acheter, ce qui permet d'économiser de l'argent.Ces moteurs sont disponibles dans différentes tailles et niveaux de puissance, ce qui les rend utiles pour de nombreux emplois.Ils sont construits pour durer longtemps et travailler de manière fiable, ce qui signifie qu'ils ne se décomposent pas souvent.Parce qu'ils sont abordables, faciles à trouver et forts, de nombreuses personnes choisissent des moteurs à induction monophasés pour diverses utilisations.

Inconvénients des moteurs à induction monophasés

Les moteurs à induction monophasés ont quelques inconvénients.Ils utilisent plus d'énergie par rapport aux moteurs triphasés pour faire le même travail, ce qui les rend moins efficaces.Ils ont également du mal avec des tâches qui nécessitent une puissance de démarrage élevée à moins que des pièces supplémentaires ne soient ajoutées.Pour les besoins de haute puissance, ils ne sont pas le meilleur choix car ils ne peuvent pas gérer autant de puissance que les moteurs triphasés.

Conclusion

Les moteurs à induction monophasés sont largement utilisés dans les maisons et les entreprises car ils ont une conception simple et bien fonctionnent.Ils sont abordables et faciles à prendre en charge, ce qui les rend bons pour les petites tâches.Même s'ils ont besoin d'aide supplémentaire pour commencer par eux-mêmes, des améliorations comme les condensateurs permanents ont rendu meilleur.Lorsque vous les comparez à des moteurs triphasés, vous pouvez voir leurs utilisations et limites spécifiques.L'utilisation de modèles de circuits équivalents aide à améliorer leur fonctionnement et à trouver des problèmes.À mesure que la technologie se développe, ces moteurs fonctionneront davantage avec les systèmes intelligents et l'Internet des objets (IoT), les rendant plus utiles et fiables.Connaître les moteurs à induction monophasés aide à choisir le bon moteur pour des tâches spécifiques et à s'assurer qu'ils fonctionnent bien.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Quelles sont les caractéristiques d'un moteur monophasé?

Les moteurs monophasés sont souvent utilisés dans les maisons et les petites entreprises car ils sont simples, faciles à utiliser et pas trop chers.Ils ont moins d'énergie par rapport aux moteurs triphasés, ce qui les rend bons pour les tâches légères comme les ventilateurs de course, les réfrigérateurs et les machines à laver.Ces moteurs ont besoin d'un appareil de départ car ils ne peuvent pas commencer seuls.Ils sont fiables et peuvent durer longtemps lorsqu'ils sont utilisés correctement.

2. Quelle est la méthode de base pour démarrer un moteur à induction monophasé?

Pour démarrer un moteur à induction monophasé, vous le connectez à une source d'alimentation monophasée.Comme il ne peut pas commencer seul, un appareil de départ comme un condensateur ou un enroulement supplémentaire est utilisé.Cet appareil crée un décalage de phase, ce qui fait un champ magnétique rotatif qui fait bouger le rotor.Une fois que le moteur atteint une certaine vitesse, le dispositif de départ est désactivé par un interrupteur ou un relais, et le moteur fonctionne sur l'enroulement principal.

3. Quel est le principe de travail d'un moteur à induction?

Un moteur à induction fonctionne par induction électromagnétique.Lorsque la puissance AC est appliquée à l'enroulement du stator, il crée un champ magnétique changeant.Ce champ induit une force électromotive (EMF) dans le rotor, provoquant l'écoulement des courants dans les barres du rotor.L'interaction entre le champ magnétique du stator et les courants du rotor crée une force qui fait tourner le rotor.Le rotor continue de suivre le champ magnétique rotatif fabriqué par le stator.

4. Quelle est la principale différence entre les moteurs triphasés et les moteurs monophasés?

La principale différence est dans leur alimentation et leur utilisation.Les moteurs en trois phases utilisent une alimentation en trois phases, donnant plus d'énergie et d'efficacité, ce qui les rend adaptés aux tâches industrielles lourdes comme les courroies de convoyeur et les grandes machines.Les moteurs monophasés utilisent une alimentation monophasée et sont utilisés pour des tâches plus légères dans les maisons et les petites entreprises, comme la gestion des appareils électroménagers.Les moteurs triphasés peuvent commencer par eux-mêmes, tandis que les moteurs monophasés ont besoin d'une méthode de démarrage supplémentaire.

5. Quelles sont les précautions pour les moteurs à induction monophasés?

Lorsque vous utilisez des moteurs à induction monophasés, assurez-vous qu'ils sont installés correctement avec des connexions électriques sécurisées et une mise à la terre appropriée.Vérifiez régulièrement le dispositif de départ pour vous assurer qu'il fonctionne de manière fiable.Évitez de surcharger le moteur pour éviter la surchauffe et les dommages.Assurez-vous que le moteur a suffisamment de ventilation pour rester au frais et faire un entretien régulier pour vérifier l'usure.Connectez toujours le moteur à la tension et à la fréquence correctes comme spécifié par le fabricant pour éviter les problèmes électriques.Ces étapes aident le moteur à fonctionner en toute sécurité et efficacement, ce qui le rend durer plus longtemps.