Moteur de traction

[bruno]

Bonjour à toutes et à tous.

Un ou des forumeurs pourraient ils me préciser de manière très simple (voir enfantin) la différence entre un moteur synchrone et asynchrone et quels sont les bénéfices et inconvénients de l'un et l'autre?

Je précise que mes connaissances en électrotechnique sont nulles.

Mes recherches sur internet ne retrouvent que des explications beaucoup trop compliquées pour un toubib un peu (trop) curieux! Je voudrais quelque chose de simple voir de simpliste pour mon petit cerveau hermétique aux sciences électromécaniques.

Avec mes remerciements.

Bruno.

[Z2N Tuning]

Pour l'asynchrone, on a un stator traversé par un courant qui créée un champ magnétique tournant. La vitesse de "rotation" de ce champ est appelée "vitesse de synchronisme".

Le rotor est constitué d'un enroulement qui sera soumis au champ magnétique vu ci-dessus, il rentrera donc en rotation pour essayer d'atteindre, sans jamais y parvenir, la vitesse de synchronisme. La vitesse de rotation d'un moteur asynchrone sera donc toujours légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme.

Voila quelques souvenirs d'école !

[TER200]

Pour l'asynchrone, on a un stator traversé par un courant qui créée un champ magnétique tournant. La vitesse de "rotation" de ce champ est appelée "vitesse de synchronisme".

Le rotor est constitué d'un enroulement qui sera soumis au champ magnétique vu ci-dessus, il rentrera donc en rotation pour essayer d'atteindre, sans jamais y parvenir, la vitesse de synchronisme. La vitesse de rotation d'un moteur asynchrone sera donc toujours légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme.

Voila quelques souvenirs d'école !

Et comme son nom l'indique, dans le moteur synchrone, le rotor (qui peut être fait d'aimants permanents ou de bobinages - alimentés je crois, contrairement à ceux de l'asynchrone) tourne à la même vitesse que le champ magnétique créé par le stator qui l'entoure.

L'asynchrone a la réputation d'être plus performant à haute vitesse que le synchrone, qui serait lui-même meilleur dans ce domaine que le moteur à courant continu (basiquement comme le synchrone, sauf que le champ magnétique est fixe - le stator peut être constitué d'aimants permanents - et le rotor est constitué de bobinages dans lesquels le sens du courant s'inverse au fil de la rotation). A contrario, le rapport de force s'inverserait à bas régime.

Les moteurs synchrones, puis asynchrones, se sont développés au gré de l'évolution de l'électronique de puissance qui permet de les faire fonctionner. Du coup, dans le ferroviaire, on a eu (en gros) :

courant continu jusqu'aux années 80 (BB 7200/15000/22200, TGV PSE...)

synchrone dans les années 80-90 (TGV Atlantique et dérivés, BB 26000, Z20500...)

asynchrone dans les années 2000 (TGV TMST, DASYE/POS et suivants, BB 36000, TER2N, Z20900, Francilien...)

synchrone à aimants permanents autour de 2010 (AGV, Régiolis, Régio2N)

[cc27001]

Pour rester vraiment simple dans le simple, on peut comparer un asynchrone cage d'écureuil et un synchrone:

Dans ce cas l'asynchrone exploite les lois d'électromagnétisme pour faire tourner son rotor qui n'est pas relié électriquement au reste du circuit, mais convertit le champ magnétique en force mécanique grâce à la disposition judicieuse de barres conductrices sur le rotor qui vont passer successivement dans le champ magnétique. Ce champ magnétique est créé par les bobinages du stator, qui eux sont reliés électriquement au reste du circuit.

Pour visualiser le principe, il faut imaginer qu'on créée volontairement un déséquilibre magnétique sur le rotor, ce qui l'oblige à tourner pour rattraper ce déséquilibre, mais qu'il ne ratrape jamais, et n'est jamais synchronisé avec le champ magnétique du stator.(image du hamster qui fait tourner sa roue)

Le moteur synchrone utilise aussi ce déséquilibre magnétique pour faire tourner le rotor, mais dans ce cas le rotor est aussi bobiné, et relié au circuit électrique, et créée son propre champ magnétique. Le champ créé peut alors se synchroniser avec la vitesse du rotor.

Dans les versions les plus simples, l'asynchrone présente l'avantage de la simplicité de construction : une simple structure métallique tourne entre des bobinages. Mais sa caractéristique de couple et de puissance est très liée au régime de rotation et à l'intensité du courant dans le bobinages, donc pas forcément adaptée à tous les besoins.

Le synchrone permet de moduler la caractéristique, mais il faut des composants de puissance pour "travailler" le courant dans les bobinages, et sa construction est plus complexe.

Dans les versions plus évoluées, il devient difficile de les départager, puisque l'électronique de puissance permet beaucoup de souplesse dans la maîtrise du champ magnétique induit, ce qui rend l'asynchrone très utilisable, et simplifie le synchrone (brushless, capteurs de position et vitesse).

Voila, c'est une explication vraiment simplifiée.

Modifié 18 décembre 2014 par cc27001

[aldo500]

C'est dans cette histoire qu'il y a une histoire d'autoexcitation à partir d'une certaine vitesse?

[cc27001]

Pas tout à fait, l'auto-excitation se produit quand le moteur devient générateur, comme un alternateur de voiture (synchrone triphasé). Dans ce cas-là, à partir d'un certain régime le mouvement du rotor suffit à créer un courant de réaction dans le bobinage, ce qui amorce l'excitation.

[BUDD]

Si je me souviens bien :

Moteur continu : Stator = Inducteur et Rotor = Induit.

Moteur Synchrone : Stator = Induit et Rotor = Inducteur (est-ce valable pour les moteurs à aimants permanents ? Logiquement oui...).

Moteur Asynchrone : Stator = Inducteur et Rotor = Induit.

[Christophe]

Pas tout à fait, l'auto-excitation se produit quand le moteur devient générateur, comme un alternateur de voiture (synchrone triphasé). Dans ce cas-là, à partir d'un certain régime le mouvement du rotor suffit à créer un courant de réaction dans le bobinage, ce qui amorce l'excitation.

Ce point est rappelé lors des formations 26000 (peut-être aussi pour les autres engins à moteur synchrone).

[Invité technicentre]

Je viens de lire les interventions précédentes ou il y a plein de choses qui me plaisent et d'autres qui me plaisent moins...

Tout d'abord, un peu de vocabulaire...

En courant "continu", ce qui tourne s'appelle "induit" et ce qui ne tourne pas "carcasse" ou "inducteur".

Pour ce qui est autre système, que ce soit synchrone ou assynchrone, ce qui tourne s'appelle "rotor" et ce qui est fixe s'appelle "stator".

Pour info, ceci est vrai aussi bien pour moteur que générateur. Un générateur continu s'appelle "dynamo"et ceux qui donnent de l'alternatif sont des "alternateurs".

Moteur à courant continu: induit mis sous tension par le collecteur. Inducteur généralement en série. Inconvénients, très cher à construire, fragile et surtout nécessitant un entretient très précis et fréquent.

Moteur synchrone: inducteur générant un champ magnétique tournant autour du rotor, lui même alimenté en continu. Le stator est alimenté en alternatif. Le champ magnétique généré par ce stator tourne à la même vitesse que le rotor. En fin de passage devant les pôles magnétiques du stator, les bobines du rotor balancent ce qui s'appelle leur effet de self. A partir d'une certaine vitesse de rotation, ce petit pic de tension peut être récupéré pour "éteindre" les semis-conducteurs qui alimentent le stator. C'est ce qu'on récupère dans les moteurs TGVA, 26000, Réseau et premiers Duplex en donnant l'autopilotage. En dessous de cette valeur, on doit fabriquer cet ordre de blocage.

Le couple au démarrage de ce moteur synchrone est important mais moins puissant que pour le moteur CC, ce qui casse moins de choses...

Il faut donc faire varier la fréquence d'alimentation pour qu'elles soit toujours synchrone avec la vitesse de rotation du rotor

Là encore, il est relativement cher à fabriquer, du fait du rotor.

Moteur assynchrone. On garde le même stator que pour le synchrone.

Par contre, le rotor est constitué de barres métalliques toutes reliées entre elles. Donc, contrairement aux 2 autres, pas d'effet d'attraction des barres du rotor par le magnétisme du stator... Donc, pas ou relativement peu de couple au démarrage... Pour le monophasé, il faut même un système de démarrage sinon, il ne démarre pas du tout. Plus de possibilité non plus d'autopilotage... Il faut donc avoir obligatoirement un système de blocage des semis conducteurs d'alimentation du stator...

Par contre, le rotor n'est constitué que d'un jeu de tôles magnétiques destiné à donner du couple, refroidir le rotor et de simples barres métalliques.

Pour démarrer ou faire varier la vitesse, on doit faire varier la fréquence d'alimentation des moteurs alternatifs, synchrones ou assynchrones....

Ecoutez le démarrage d'un compresseur d'engin moteur avec ces 4 niveaux de fréquence arrivant les uns après les autres (9 fréquences en fait...), vous les entendrez...

Les moteurs assynchrones sont moins cher eux mêmes mais demandent donc des convertisseurs statiques un peu plus aboutis.

Voila, est- ce que ces notions vous ont aidé?

Pas de panique, c'est plus difficile à écrire et lire qu'à expliquer devant un tableau noir...

N'hésitez pas à demander des explications supplémentaires, car je sais que en plus de dire et faire des conneries, j'ai la mauvaise habitude d'aller vite sur certains points et pas facile de voir d'ici où les gens décrochent...

Modifié 19 décembre 2014 par technicentre

[cc27001]

de manière très simple (voir enfantin)

Le client a demandé une explication simple dans son cahier des charges...

En courant "continu", ce qui tourne s'appelle "induit" et ce qui ne tourne pas "carcasse" ou "inducteur".

Tout est relatif, pour rigoler certains ont fabriqué des moteurs dont la carcasse tourne et l'induit reste fixe, mais ça reste des moteurs à courant continu.

[Invité technicentre]

Mieux... 70 001 et 2... Un moteur diesel entrainait le rotor dans un sens et un deuxième le stator dans l'autre. Pour avoir du 50 Hz (nécessaire pour alimenter des trains de voyageurs), il fallait que les 2 moteurs soient réglés au quart de mili-poil de cul près, chose qui n'a jamais put être réalisé à long terme...

70 001 a été arrêtée très vite suite à grosse avarie de câblage... Seule restait la 70 002 qui a continué de sortir des trains fret de flotte de Contrexéville et n'a été radiée que pour une casse moteur de traction minime et la nécessité d'autoriser des ADC rien que pour ce mouton à 5 pattes...

Pour le côté enfantin, je ne pense pas être allé très loin en ne parlant d'aucune loi de physique.

Modifié 19 décembre 2014 par technicentre

[Roukmoute]

C'est du 1500V continu qui est fourni par les locs diesel dans la canalisation d'énergie électrique.

[Invité technicentre]

Non, 1500 alternatif (produit par un alternateur) de fréquence variable même si la fréquence est normalement du 50 Hz... Mais un MD fatigué, une côte et on descent bien souvent du côté des 40 à 45 Hz dans les faits et aux environs de 900 V en prime...

Les enregistrements effectués pour les corail furent éloquants là dessus...

Si on avait du continu, le gabarit des locs ne serait pas suffisant pour abriter la bête...

[bruno]

Merci beaucoup à vous tous pour ces précisions.

C'est vraiment plus clair maintenant.

Si je pouvais être aussi concis et didactique pour expliquer la médecine!!!

D'autre part pensez vous qu'il y a encore des marges de progression question électronique de puissance, consommation électrique et puissance de traction où avons nous atteint certaines limites (ITE en particulier)?

Encore merci.

Bruno.

Modifié 19 décembre 2014 par bruno

[Invité technicentre]

Non, il peut y avoir encore tellement de progrès en matière de motorisation électrique de puissance, comme ce que nous promettent les supra conducteurs ou supra condensateurs...

Si les supra condensateurs commencent à voir le jour, dans des bus électriques à recharge ultrarapides ou encore des bateaux comme le nouveau bac traversant le vieux port de Marseille, les supra conducteurs ou composants de connexion ne possédant pas de résistance interne donc sans perte caloriques de fonctionnement, eux, ne semblent pas près de voir le jour dans une utilisation quotidienne. Dommage car on gagnerait et en puissance et en volume occupé pour l'instant pour les systèmes de refroidissement...

Mais on en parlait déjà dans les années 90 lorsque le TGVA est sorti...

Sinon, côté miniaturisation, les IGBT ou transistors à effet de champ sont réellement bluffant par leur taille de plus en plus petite, leur puissance restituée et leur robustesse devenant de plus en plus importante...

Après, côté moteur pur, les moteur à aimant permanent, là, je ne connais pas à fond le sujet, si c e n'est que ce que j'ai vu des courbes de réponse lors des 574,8 était dingue...

Reste à savoir si on arrivera à foutre ça dans un véhicule ferroviaire un jour...

Et le pire, c'est que cela coute moins cher que les bons vieux GTO du TGVA, mais il faut refaire les platines pour les remplacer...

Mais une chose certaine, c'est que moi, vieux con, j'aimais mieux bosser sur les bonnes vieilles 5300 les dernières années... Là, on voyait quelque chose se passer sans être obligé de passer par le PC pour faire des tests ou on sert juste à changer des composants.

[bruno]

Merci beaucoup technicentre.

Ce forum est vraiment une mine d'information et un puis de connaissance.

Vraiment merci à toi et aussi aux autres contributeurs.

Bruno.

[Invité technicentre]

On te doit pas mal de choses pour ce que tu as fait personnellement à Brétigny...

Donc, si j'ai put t'aider, ce fut plus qu'un plaisir...

[Gom]

Après, côté moteur pur, les moteur à aimant permanent, là, je ne connais pas à fond le sujet, si c e n'est que ce que j'ai vu des courbes de réponse lors des 574,8 était dingue...

Reste à savoir si on arrivera à foutre ça dans un véhicule ferroviaire un jour...

Si j'ai bien compris, c'est ce qu'on a dans l'AGV, le Régiolis et le Régio2N.

Moteur assynchrone. On garde le même stator que pour le synchrone.

Par contre, le rotor est constitué de barres métalliques toutes reliées entre elles.

Donc, contrairement aux 2 autres, pas d'effet d'attraction des barres du rotor par le magnétisme du stator...

Je n'ai pas compris ce point. Si ces barres sont toutes reliées entre elles, elles sont donc au même potentiel. Donc, si je ne fais pas de raccourcis, à la même polarité magnétique. Tu dis qu'il n'y a pas d'effet d'attraction magnétique, mais je ne vois pas comment on peut transmettre une force autrement ?

[geant vert]

synchrone dans les années 80-90 (TGV Atlantique et dérivés, BB 26000, Z20500...)

C'est des moteurs asynchrones dans les Z20500 si je ne m'abuse

[TER200]

C'est des moteurs asynchrones dans les Z20500 si je ne m'abuse

En effet, j'ai du confondre avec les 5600/8800... La différence entre les 20500 et 20900 est plus haut dans la chaîne de traction.

[cc27001]

Je n'ai pas compris ce point. Si ces barres sont toutes reliées entre elles, elles sont donc au même potentiel. Donc, si je ne fais pas de raccourcis, à la même polarité magnétique. Tu dis qu'il n'y a pas d'effet d'attraction magnétique, mais je ne vois pas comment on peut transmettre une force autrement ?

Le champ magnétique ne se comporte pas comme le courant électrique. Les lignes de champ (en fait des courbes) traversent les barres, et les polarisent. Il y a bien un effet d'attraction magnétique qui est créé par un déséquilibre (nombre de barres, orientation dans le champ). Pour compenser cette distorsion du champ, le rotor tourne et fournit le couple.

Le magnétisme se comprend plus facilement avec les aimants : toujours un pôle nord et un pôle sud qui sont les points d'entrée et de sortie des lignes de champ.

Il ne faut pas confondre avec le principe du condensateur, par exemple, dont les plaques sont polarisées par des charges électriques (excès et déficit d'électrons), ce qui n'a rien à voir avec le magnétisme.

Modifié 20 décembre 2014 par cc27001

[geant vert]

En effet, j'ai du confondre avec les 5600/8800... La différence entre les 20500 et 20900 est plus haut dans la chaîne de traction.

Les 5600 et les 8800 ce sont des MCC

[Invité technicentre]

Si j'ai bien compris, c'est ce qu'on a dans l'AGV, le Régiolis et le Régio2N.

Je n'ai pas compris ce point. Si ces barres sont toutes reliées entre elles, elles sont donc au même potentiel. Donc, si je ne fais pas de raccourcis, à la même polarité magnétique. Tu dis qu'il n'y a pas d'effet d'attraction magnétique, mais je ne vois pas comment on peut transmettre une force autrement ?

Pour le cage d'écureuil (moteur assynchrone) oui les barres sont toutes reliées entre elles. Il n'y a donc aucun courant qui les traverse. Par contre, comme elles sont en acier, donc magnétisables, elles sont attirées par les poles du stator mais ne l'attirent pas elles memes...

Pour ce qui est des 20500, oui, ce sont des assynchrones triphasés.

Par contre, le seul organe que j'ai étudié sur 20700 et 20900, c'est le CVS qui fournit les auxiliaires tels que charge batterie, 220 et 380V...

[Invité technicentre]

Les 5600 et les 8800 ce sont des MCC

Oui et de type 4FHO dont j'ai fretté le prototype en 88 à la Folie...

Sur 20500, ce sont des 4FHA pour assynchrone... Meme taille extérieurement...

[JujuY]

Pour le cage d'écureuil (moteur assynchrone) oui les barres sont toutes reliées entre elles. Il n'y a donc aucun courant qui les traverse. Par contre, comme elles sont en acier, donc magnétisables, elles sont attirées par les poles du stator mais ne l'attirent pas elles memes...

Là je ne suis pas d'accord.

Dans un moteur asynchrone, les barres longitudinales sont en cuivre et elles sont mises en court-circuit aux extrémités du rotor. Le champ magnétique du stator induit du courant dans ces barres de cuivre. Ce courant de court-circuit provoque un champ magnétique qui en s'opposant au champ magnétique du stator provoque la rotation du rotor.

Voir le lien suivant http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_asynchrone

Un rotor de moteur asynchrone est simple et il ne présente pas de pièces d'usure (hormis les roulements à billes ou à rouleaux). En particulier il n'y a pas de collecteur ou de bagues collectrices, avec ses contacts tournants (balais).

Au contraire, un rotor de moteur synchrone est équipé d'au moins deux bagues collectrices circulaires (et de balais) pour alimenter en énergie le rotor (Voir le lien suivant http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_synchrone). Ici les balais peuvent s'user à moins d'avoir une auto-excitation comme le principe des fameuses statodynes (plusieurs machines assemblées sur le même rotor dont l'une sert à alimenter le rotor du moteur synchrone principal)

Et je ne parle même des moteurs à courant continu, où la plaie, à la fois en production et en maintenance, c'était le collecteur avec ses fines lames en cuivre argenté (pour sa dureté), isolées entre elles, sur lesquelles des balais viennent faire contact, en créent des court-circuit entre deux lames consécutives avec la giclée d'étincelles (arcs) qui va avec.

Dans une atmosphère explosive, seul un moteur asynchrone peut être utilisé (aucun contact tournant donc aucun risque d'étincelle en fonctionnement)

Modifié 21 décembre 2014 par JujuY