Brouchier: Haut parleur, Hifi, Enceinte, etc.

1 Un peu d’histoire pour commencer.

La fin du XIXème siècle a été le début de l’ère industrielle pour les applications de l’électricité. En 1870 GRAMME invente la dynamo, premier générateur de courant continu de puissance. Les piles ne pouvaient fournir que des courants faibles. De plus la dynamo était réversible et pouvait fonctionner en moteur.
L’inconvénient industriel du courant ainsi fourni était que la tension était assez faible (de l’ordre de la centaine de Volts). Pour obtenir de fortes puissances il fallait des courants importants et il y avait des pertes dans les conducteurs qui ne pouvaient pas être très longs.
En 1888 l’invention de l’alternateur permet à TESLA d’envisager la distribution du courant alternatif sous haute tension grâce au transformateur. Les lignes électriques peuvent alors être plus longues et avec moins de pertes.
En Europe la fréquence du courant alternatif a évolué dans le temps. On a commencé avec du 25 Hertz ( on disait alors du 25 périodes par seconde) pour aboutir au 50 Hertz actuel. Aux États Unis la fréquence est de 60 Hertz.
Dans le but d’économiser le cuivre dans les lignes à longues distances on a été amené à mettre en œuvre du courant alternatif triphasé. La tension efficace est la même pour chaque phase, mais les fonctions sinusoïdales sont déphasées de 120^∘ les unes par rapport aux autres :

De la sorte, si les courants sur chaque phase ont la même valeurs efficace la somme des courants instantanés sera nulle. On pourra donc, en principe, supprimer les fils de retour du courant et économiser trois fils.En pratique on en conserve un qu’on appelle le "neutre" pour le cas où il y aurait un déséquilibre entre les phases.

2 Le réseau européen de distribution de l’électricité.

Nous ne parlerons ici que du réseau domestique accessible à tout le monde. Le distributeur d’électricité fournit trois phases et un neutre. Pour les usages courants une phase et un neutre suffisent : la tension efficace est de 220 V olts (avec de faibles variations possibles). Cette tension est relativement dangereuse et demande une bonne protection des circuits. Elle a été adoptée après la deuxième guerre mondiale pour multiplier par quatre la puissance transportée sans modifier les lignes. Les États Unis, qui n’ont pas connu les destructions de la guerre ont conservé le 115 V olts,60 Hertz moins dangereux mais demandant beaucoup plus de cuivre.
Dans le réseau européen entre deux phases on a une tension efficace de 220 * ~ 380 V olts. C’est pour cette raison que l’on parle de réseau 220 - 380. Après la guerre on a connu, par endroits, un réseau 127 - 220 qui a maintenant disparu.

3 Les moteurs électriques du bricoleur.

On peut les classer en deux grandes catégories : ceux qui ont un collecteur et ceux qui n’en ont pas.
Dans les premiers le courant arrive dans un bobinage du rotor par l’intermédiaire d’un collecteur et de deux charbons. Ils fonctionnent aussi bien en courant continu qu’en courant alternatif (on les appelle parfois moteurs universels).
Tout l’outillage électroportatif alimenté par batterie utilise ce type de moteur. Dans ce cas en changeant le sens du courant on peut changer le sens de rotation (par exemple les visseuses-dévisseuses).
Les moteurs branchés sur le secteur alternatif monophasé (le plus fréquent) tournent par construction dans un seul sens (perceuses, scies,etc...). La panne la plus fréquente est l’usure des charbons (encore appelés "balais"). Il suffit de les changer ( si on en trouve) et tout repart.
Les moteurs de la deuxième catégorie ne fonctionnent qu’en courant alternatif soit monophasé, soit triphasé. En fait pour le premier cas on créé une deuxième phase déphasée de 90^∘ à l’aide d’un condensateur et grâce à deux bobines perpendiculaires entre elles on obtient un champ magnétique tournant qui entraîne le rotor. La vitesse de rotation ne peut donc pas varier dans de grandes limites, au contraire des moteurs à collecteurs avec lesquels on peut utiliser un variateur. En revanche il n’y a pas de risque d’usure des balais. Ces moteurs sont utilisés là où la vitesse de rotation doit rester constante : réfrigérateurs,lave-vaisselle, petite bétonnière,etc...
Pour des applications de plus fortes puissance il faut passer au moteur triphasé. C’est celui utilisé dans l’industrie.
Les trois phases alimentent trois bobines qui font un angle de 120^∘ entre elles. Les trois courants engendrent alors un champ magnétique tournant à la fréquence du courant. Le rotor joue un peu le rôle d’un secondaire de transformateur et il est soumis à un couple dépendant de la charge. Ainsi le moteur tourne à une vitesse légèrement inférieure à la fréquence du courant.
Le bricoleur dépasse rarement des puissances de 1 kW. S’il est alimenté en triphasé c’est le type de moteur à choisir, en particulier pour les bétonnières qui tournent longtemps.
Grâce aux progrès de l’électronique industrielle on peut faire varier la fréquence du courant triphasé et, de la sorte, faire varier la vitesse d’un moteur triphasé, mais cela revient assez cher.De la même façon on peut fabriquer du triphasé à partir d’une seule phase avec le même problème de coût.

4 passage d’un moteur triphasé 380 en mono 220.

C’est le problème qui se pose quand on est loin d’un réseau triphasé et qu’on a des moyens financiers limités. Au prix d’une petite perte de puissance rien n’est perdu. On peut faire tourner un moteur triphasé sur un réseau monophasé en modifiant son câblage et en ajoutant un condensateur judicieusement choisi.
Les bons moteurs triphasés donnent accès aux deux extrémités des bobinages et sont câblés en montage "étoile" :

Entre deux phases nous avons 380 V olts, mais entre une phase et le "neutre" (au milieu) nous avons 220 V olts. Il y a donc 220 V olts aux bornes de chaque bobine. On passe alors au montage "triangle" qui était utilisé pour le réseau 127 - 220 :

Pour la suite de l’opération on débranche le moteur (si ce n’est déjà fait) et on ouvre le boîtier de connexion. Si on ne trouve que trois bornes pour les trois phases, on ne pourra pas passer en mono, il faut changer de moteur. Fort heureusement c’est très rare et on trouve six bornes permettant le branchement des extrémités des bobines selon le schéma suivant :

Le montage "étoile" d’origine utilise deux barrettes de connexion pour faire le point milieu de l’étoile suivant le branchement :

Pour passer au montage "triangle" il faut une barrette supplémentaire qu’il faudra fabriquer soi-même : le mieux est de prendre un morceau de laiton de la forme des barrettes d’origine, sinon un morceau de fil de cuivre rigide peut suffire. On réalise alors le montage suivant qui est souvent indiqué sur un carton dans la boîte de connexion :

Les trois fils Ph₁,Ph₂ et Ph₃ qui sortent du moteur seront conservés et leurs autres extrémités seront câblées sur une barrette de connexion (encore appelée "domino") de la façon suivante :

Pour un moteur de 700 à 800 Watts il faut un condensateur d’une vingtaine de microfarads supportant la tension du secteur. On peut se rappeler que 736 Watts correspondent à un cheval-vapeur (1 CV) ou, en anglais, one horse power (1 HP). Il faut donc une vingtaine de microfarads par cheval-vapeur. Mais les moteurs du bricoleur dépassent rarement un à deux chevaux-vapeur, sans quoi cela devient de l’industrie où on dispose toujours du triphasé. Chez les fournisseurs de pièces détachées pour l’électromé;nager on trouve des condensateurs secteur de 10 à 12 microfarads, il suffit d’en mettre deux en parallèle pour obtenir la valeur voulue.
Il y a intérêt à placer tout ce montage dans un boîtier plastique étanche avec seulement les câbles de connexion qui sortent.
Comme tous les moteurs sans collecteur, on aura deux sens de rotation possibles. Avec de la chance, au premier essai le moteur tournera dans le bon sens, et, donc, pas de problème. Cela suppose que l’on ait repéré le sens de rotation avant de faire la modification et qu’on l’ait noté par une flèche. Si le moteur ne tourne pas dans le bon sens, il suffit, après avoir coupé le courant, de permuter sur le domino les fils Ph₁ et Ph₃ et tout rentre dans l’ordre.
En général tous ces moteurs sont mis à la "terre" par un conducteur de protection (vert-jaune), il faut le conserver dans le montage précédent.

5 Un peu de maths pour finir.

Cette section s’adresse à ceux qui ont fait des études scientifiques et qui veulent savoir d’où vient le facteur qui intervient dans cet article. Pour cela il leur faudra d’abord lire le fichier "Amplitudes-complexes" qui figure dans le site de l’auteur : http ://www.brouchier.com/Physique/Amplitudes-complexes. Les notions qui y sont développées seront supposées connues.
Nous partirons des tensions entre le "neutre" et deux phases :

La représentation complexe de ces tensions peut s’écrire :

La représentation complexe de la tension entre ces deux phases vaut donc :

Or on sait que e^jx - e^-jx = 2.j.sinx de sorte que :

L’amplitude maximale de la tension est donc de U₀.. Comme les valeurs efficaces sont proportionnelles aux valeurs maximales U_eff = U_max∕, on a la même relation pour les valeurs efficaces : 380 ~ 220..