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DISPOSITIF DE DEMARRAGE POUR MOTEURS A INDUCTION MONOPHASES A POLES SAILLANTS.
Le dispositif suivant l'invention a pour but une mesure permettant d'augmenter le couple de démarrage de'moteurs à induction monophasés à pales saillants, et dans certains cas de supprimer dans les moteurs à bagues, de court-circuit la troisième harmonique tournant avec le champ.
Un moteur à bagues de court-circuit tel que représenté à la fig.1 est un moteur à induction monophasé avec un rotor en court-circuit 1 et des pôles saillants 2. Une phase auxiliaire, permettant de produire un couple de démarrage y est obtenue grâce à
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des bagues de court-circuit 3. Dans les bagues de court- circuit une force magnétomotrice Jz est induite, en avance par rapport à la force magnéto-motrice principale Jo provenant; de l'enroulement statorique 4.
Mais pour le comportement du moteur 1 intensité et le déphasage de ces forces magnéto-motrices ne sont pas seules respon- sables., En effet, les endroits précis le long de l'entre- fer ou suite aux encoches ou interstices entre les pôles les forces manéto-motrices précitées agissent sur le rotor ont leur importance..
-La force tangentielle qui, en directions oppo- sées agit soit sur le stator soit sur le rotor peut être calculée plus facilement par rapport au stator.
Dans le cas du rotor arrêté, la force tangentielle PM est?
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Dans cette formule, #est la perméabilité de l'air s s la largeur de l'entrefer, L la longueur du circuit magnétique du moteur, Jmz la différence de potentiel magnétique à l'endroit des interstices entre les pôles provenant de la force magnéto-motrice Jz et Jo la différence de potentiel magnétique à l'endroit de l'encoche de la bague de court-circuit provenant de la force magnéto-motrice Jo. Une force tangentielle Pm suivant l'équation (1) dépend de la différence des produits intérieurs des vecteurs;
elle peut apparaître seulement dans le cas où a) Jmz est déphasé par rapport
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à Jz et Jmo est déphasé par rapport à Jo et b) Jmz et Jmo sont plus grands que zéro. La condition b est d'au- tant plus difficile à remplir que le périmètre de l'entrefer est grand. En effet, puisque le rotor à cage donne lieu à un déplacement périphérique du courant et du champ, la force magnéto-motrice Jo ne produit presque plus de différence de potentiel magné- tique Jmo à l'endroit de l'encoche de la bague de court-circuit si la distance entre les encoches et les interstices entre les pôles est trop grande.
Entre les deux interstices entre les pôles, Jmo varie suivant une chaînette, mais dans le cas extrême d'un déplace- ment important du courant, Jmo décrotta partir des interstices entre les pôles suivant une fcontion c.
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Dans cette formule z est la distance mesurée à partir de l'interstice entre les pôles et
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est un paramètre tenant compte du déplacement périphérique du courant. La grandeur jx est la réac- tance du circuit d'un pas d'encoche du rotor produite par l'entrefer. 1 8 est l'impédance d'une barre du rotor (résistance annulaire négligée). Il s'ensuit que pour l'équation (2), l'unité de longueur de 2 est le pas d'encoche.
Pour obtenir une différence de potentiel
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magnétique Jmo importante à l'endroit des encoches des bagues de court-circuit, et de ce fait # (équation 3) doivent être faibles. Il est possible d'atteindre ce but en choisissant l'entrefer relativement large - jx petit) et une résistance rotorique élevée.
Toutefois, on est vite limité dans cette voie par un courant à vide excessif et des sollicitations thermi- ques trop élevées des hautes et minces barres du rotor.
En dehors du probèe évoqué du déplacement périphérique du courant, il importe de supprimer la troisième harmonique tournant avec le champ. Celle-ci, suite à son couple générateur, peut produire une vites- se lente ou peut détériorer au moins la courbe couple- vitesse par un affaissement gênant. Dans le diagramme des forces magnéto-motrices fig.2et le diagramme de la troisième harmonique fig.3, la force magnéto-motrice auxiliaire jz est sensiblement plus petite que la force magnéto-motrice principale Jo (fig. 1). Aussi les amplitudes des troisièmes harmoniques de Jz et Jo ne peuvent-elles pas se compenser au point d'annuler la 3me harmonique tournant avec le champ, malgré un angle spatial 8z favorable qui fait que les troisièmes harmoniques de Jo et Jz s'opposent l'une à l'autre.
Il convient de rappeler, qu'une force magnéto- motrice se manifestant dans un point de l'entrefer est composé par des paires de composantes de même amplitude et de tous degrès, chaque composante d'une
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paire tournant l'une dans un sens, l'autre dans le sens opposé. Suite à la symétrie par rapport au diamè- tre de la disposition suivant fig.1, les harmoniques paires sont annulées. D'un autre côté, la cinquième harmonique est transmise avec un couplage tellement faible qu'elle ne peut pas produire un couple de freinage perturbateur.
Pour faire la somme vectorielle
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des troisièresharronqiues à l'aide d'un procédé graphi- que, les angles spatiaux du dispositif y sont portés avec le triple de leur valeur car c'est ainsi qu'ils apparaissent en degrés électriques par rapport à la
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troiseme .harmonique. Pour figurer le sens de rotation des composantes vectorielles de la fig.3, une barre latérale dirigée dans le sens de rotation est dessinée près de la pointe de chaque vecteur. Les vecteurs résultants non nuls sont représentés par des lignes brisées.
Suivant l'invention, un dispositif de démarrage amélioré pour moteurs à induction monophasés à pôles saillants est obtenu par le fait que l'épanouissement du pôle qui dans le sens de rotation du rotor précède l'axe du pôle saillant comprend un étranglement qui limite le passage du flux vers l'extrémité du pôle.
Lors de l'application de ce dispositif aux moteurs à bagues de court-circuit,en particulier en vue du but subsidiare de supprimer la troisième harmonique tournant avec le champ, l'étranglement sur
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les épanouissements polaires ne comprenant pas de bague de court-circuit est disposé environ 60 électriques après l'interstice entre les pôles.
De préférence, l'étranglement 5 (fig.4) est dimensionné de telle manière que pendant la marche du moteur où le rotor absorbe un courant plus faible, ne donnant pas lieu à un déplacement appréciable du champ dans le rotor, le champ traversant l'étranglement est transmis jusqu'à l'extrémité de l'épanouissement polaire, sans affaiblissement notable. Par contre, au moment du demarrage, lorsque dans le rotor le courant subit un déplacement périphérique et tend à déplacer le champ vers les extrémités des pôles, l'étranglement se sature en y admettant une force magnéto-motrice Js qui agit le long de l'entrefer comme une deuxième phase auxiliaire .
A la fig.4, le dispositif suivant l'invention est représenté muni d'un étranglement et avec les vecteurs Js jZ,Jo - Js . Dans ce dispositif le dépla- cement périphérique du courant est fortement atténué grâce à un entrefer relativement grand et grâce à des barres hautes et minces constituant la cage du rotor.
Lorsque la force magnéto- motrice Jo prove- nant des enroulements statoriques est amené dans les épa- nouissements polaires sans une influence notable de l'étranglement, le diagramme des forces magnéto-motoriques suivant fig.5est représentatif des phénomènes. La force
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magnéto-motrice Js est soustraite de la force magnéto- motrice Jo, de sorte qu'à l'endroit des interstices entre les pôles, les ampère-tours se réduisent à Jc- Js. Comme la force magnéto-motrice Js est la source d'une réactance parasite élevée (celle d'une encoche fermée), Js est décalée en arrière par rapport à la force magnéto-motrice Jo - Js (Fig.5).
La figure 6 montre comment a lieu la super- position des troisièmes harmoniques. Pour ce faire, les angles spatiaux jZ et #s déterminant les endroits où agissent les forces magnéto-motrices Jz et Js sont choisies de telle façon que les valeurs absolues des composantes de Js Jz et Jo - Jb tournant avec le champ sont nulles. De ce fait, conformément à la fig.6,
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l'angle spatial $ de Je est un peu plus grand que 60 degrés électriques. Une possibilité de choisir #s plus petit que 60 degrés électriques est montrée à la fig.7, à l'aide d'une addition vectorielle des composantes tournant avec le champ dont la résultante est nulle.
En comparant fig.3à fig.6, il est facile de constater que l'étranglement a pour effet d'une part une réduction de la troisième harmonique dans la propor- tion de Jo: Jo - Js et de produire une oscillation Js qui peut être soustraite. Suivant figure 6, il faut
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|J8[ 1J 2-IJ7.1 ( afin que la troisième harmonique tournant avec le
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chai*! disparaisse. Il subsiste bien encore la troisième harmonique tournant en sens inverse, représentée par une ligne brisée, mais elle n'est pas importante puisque un couple générateur n'apparait pas pendant l'accélé- ration du moteur.
Le dispositif suivant fig. 1et ? peut être considéré comme dispositif à deux phases, une des deux phases étant d'ailleurs de très faible importance.
En effet, Jo est sensiblement p.us grand que Jé. Par l'introduction d'un étranglement et la force magnéto- motrice de saturation Js les conditions changent au point qu'une disposition spatiale triphasée apparaît dans laquelle, suivant fig.5, 'a succession des phases est en principe correcte, bien que mal équilibrée. Mais, par rapport aux conditions montrées à la fig. 2, les valeurs absolues des forces magnéto-motrices de la fig.5 sont mieux proportionnées. On a donc obtenu une amélioration sensible du moteur par le fait de prévoir un étranglement.
Il est utile de remarquerque le couple de démarrage s'améliore lui aussi. Suite au déplacement du courant et du champ par le rotor et suite aux grandes distances entre les interstices entre les pôles et les encoches des bagues de court-circuit, la diffé- rence de potentiel magnétique Jmo à l'endroit des enooches de ces dernières est très faible et en outre déphasée par rapport à la phase optimum. La force
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magnéto-motrice Js cependant se manifeste à un endroit beaucoup plus proche de l'encoche de la bague de court- circuit et produit dans cette encoche une différence de potentiel magnétique Jms beaucoup plus importante.
Comme suivant fig.5, Je présente un déphasage plus grand même que celui de Jo, la force tangentielle suivant équation (1) augnmente.
Afin de satisfaire aussi l'équation (4), c'est-à-dire de dossr convenablement le champ Js, l'étranglement doit avoir une forme appropriée. Dans les figures 8a à 9 des formes différentes de l'étran- glement sont montrées, et chacune entraîne un comportement différente. L'exécution de l'étranglement suivant fig. 8c représente un étranglement mis en parallèle avec un entrefer; elle est discuté ici eh détail. Si le fer du stator possède une courbe de saturation suivant fig.9, coudée à l'endroit de la tension Us, pratiquement aucune force magnéto-motrice Js n'est nécessaire pour aimanter l'étranglement aussi longtemps que la tension reste en dessous de Us.
Lorsque la tension dépasse Ug:
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Pour limiter la force magnéto-motrice Jb à une valeur satisfaisant l'équation (4) et pour augmenter le déphasage, un entrefer tel suivant fig.8c, est mis en parallèle avec l'étranglement qu'il correspond à une réactance Xs1 Il est alors possible de reproduire
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les conditions de dispersion pour la force magnéto- motrice dans un schéma équivalent, fig.10 valable en cas de saturation de l'étranglement. En dehors de la tension opposée Us provenant du flux de saturation, les réactances de dispersion Xs et Xs1 reliées en série engendrent d'autres tensions de dispersion.
Si la tension Us n'est pas atteinte, le circuit du schéma équivalent fig.10 est ouvert, de sorte que Js = o. On a donc réalisé 1automatisme suivant: Pédant la marche du moteur l'étranglement est aimanté juste en dessous du seuil de saturation et ne fait pas apparaître de force magnéto-motrice.
Pendant le démarrage, suite au déplacement du champ par le rotor. un champ d'environ 1,5 fois plus grand devrait passer à travers l'étranglement, ce qui est impossible en raison de la saturation. L'étranglement devient ainsi le siège d'une force magnéto-motrice Js qui empêche l'établissement d'un champ dépassant le seuil de saturation. La force magnéto-motrice Js profite, comme dit au début, à l'accélération du moteur 1 mais disparaît lorsque la vitesse nominale est atteinte.
Il est possible de choisir l'étranglement de telle façon que même pendant la marche normale une force magnéto-motrice Js subsiste. Dans ce cas,
Js est en phase avec la force magnéto-motrice Jo-Js dans les interstices entre les pôles puisque l'effet
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amortisseur du rotor fait défaut. Le résultat atteint au moyen d'une telle mesure aboutit donc seulement à une répartition spatiale Ce la phase principale. Par contre, la force magnéto-motrice Js renforce celle Jz des baguée de court-circuit. Il est donc plus avantageux que la force magnéto-motrice Js disparaisse après l'accélération du moteur, pour que la force magnéto-motrice Jé, inutile pour la marche normale, soit maintenue faible.
En résumé, trois effets sont obtenus par la présence d'un étranglement: 1) suppression de la troisième harmonique tournant avec le champ 2) Renforcement du couple de démarrage par l'empêchement du déplacement périphérique du champ et 3) Renforcement de la force magnéto-motrice dans les bagues de court-circuit pendant le démarrage par rapport à la marche normale. Il a déjà été dit que la force magnéto-motrice Je pendant le démar- rage est déphasée en arrière par rapport à la force magnéto-motrice Jo - Js.
Ces deux forces magnéto-motrices produisent donc à elles seules déjà un couple de démarrage vers la droite ; est donc possible de se dispenser des bagues de court-circuit produisant la force magnéto- motrice jz suivant fig.4 lorsque les exigences relatives au démarrage ne sont pas élevées.
L'effet de l'étranglement peut être expliqué aussi par la théorie des champs tournants:Sans étran- glement le champ se répartit sur les deux cornes polaires par moitiés suite au déplacement périphérique du courant
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et du champ du rotor, le champ est déplacé vers les extrémités des pôles. L'amortissement par la résistance ohmique du rotor entraîne un déphasage vers l'arrière du champ par rapport à la différence du potentiel magnétique. L'étranglement constitue une résistance magné- tique supplémentaire placée dans une des cornes polaires.
De ce fait la composante de champ de cette corne polaire s'affaiblit, mais est déphasé vers l'avant de sorte qu'il en résulte un champ tou-nant elliptique.