Chap. II : La machine asynchrone triphasée

I. Domaines d'utilisation du moteur asynchrone

Le moteur asynchrone est le moteur électrique le plus utilisé dans l’industrie. Il est peu coûteux, robuste, et son entretien est très limité.Ce type de moteur équipe la quasi­totalité des machines­outils classiques et la plupart des postes de travail des usines (scies, raboteuses, bobineuses, tapis­roulants, pompes, compresseurs, perceuses, tours, fraiseuses,…).Grâce aux progrès de l’électronique de puissance, les moteurs asynchrones associés à des onduleurs sont de plus en plus utilisés en traction (TGV, tramway).

II. Constitution et principe de fonctionnement

1. Le stator

Le stator est composé de 3p bobines alimentées par un système de tensions triphasées de fréquence f.Le stator constitue l'inducteur : les 3p bobines créent, dans l'entrefer, un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme ΩS (en rad/s) ou nS (en tr/s).

OMEGAs=ωp

ou : ns=fp

(car ω=2πf et ΩS=2πnS)

On accède aux enroulements statoriques grâce à six bornes de la plaque à bornes du moteur :

Le couplage (étoile ou triangle) des enroulements du stator sur le réseau doit tenir compte : des indications sur la plaque signalétique du moteur asynchrone, sachant que la tension

la plus faible représente la tension nominale aux bornes d'un enroulement du stator. du réseau triphasé dont on dispose :

Sur le réseau triphasé V / U (V: tension simple; U: tension composée) , le moteur sera couplé : • en étoile (Y) si la tension aux bornes d'un enroulement correspond à la tension V.

­ 1 ­

ΩS : vitesse de synchronisme en rad/sω : pulsation des tensions du réseau en rad/sp : paire de pôles

nS : vitesse de synchronisme en tr/sf : fréquence des tensions du réseau en Hzp : paire de pôles

1 2 3

• en triangle (∆) si la tension aux bornes d'un enroulement correspond à la tension U.

Exemple : sur la plaque signalétique, on peut lire les indications : 220V/380V.sur le réseau 130V / 230V : le stator sera couplé en triangle.

sur le réseau 230V / 400V : le stator sera couplé en étoile.

2. Le rotor

a. Il existe deux types de rotor :

rotor à "cage d'écureuil"

rotor bobiné

­ 2 ­

Des barres en cuivre ou en aluminium logées dans les encoches d'un cylindre ferromagnétique sont mises en court­circuit.

Il est constitué de 3 enroulements de structure semblable à ceux du stator. L'accès aux enroulements se fait par 3 bornes, la connexion électrique entre les bornes fixes et les enroulements en rotation se fait par un système de bagues et balais. Grâce à ces balais, le rotor bobiné est fermé sur lui­même directement (mis en court­circuit) ou par l'intermédiaire de résistances.

3 2 1

3 2 1

Rotor à cage d'écureuil et son ventilateur rotor à cage d'écureuil

b. Justification de la rotation

Les conducteurs du rotor (barreaux du rotor à cage d'écureuil ou bobines du rotor bobiné) en court­circuit sont soumis au champ tournant créé par le stator alimenté par le réseau.Etant soumis à un flux variable, les conducteurs sont parcourus par des courants induits (courants de Foucault).L'intéraction du champ produit par ces courants induits et du champ tournant du stator se traduit par un couple. D'après la loi de Lenz, l'effet des courants induits s'opposent à la cause qui lui a donné naissance. C'est pourquoi la vitesse de rotation du rotor est inférieure à la vitesse de synchronisme (vitesse du champ tournant créé par le stator).

c. Le glissement

Le glissement exprime l'écart relatif entre la vitesse de synchronisme et la vitesse de rotation de l'arbre du moteur. Il est défini par :

g=OMEGAs−OMEGA

OMEGAs

avec Ωs et Ω en rad/s

ou g=ns−n

ns

avec ns et n en tr/s

ou g=n ' s−n '

n' s

avec n's et n' en tr/min

Le glissement n'a pas d'unité et s'exprime généralement sous la forme d'un pourcentage.

Exemples : ­ au démarrage: g = 1 (car Ω=0)­ à vide : g ≈ 0 (car n ≈ nS)­ dans les conditions nominales, le glissement est de l'ordre de 2 à 5 %

3. Symboles du moteur asynchrone

Moteur à rotor en cage d'écureuil Moteur à rotor bobiné

­ 3 ­

M3∼

M3∼

III. Bilan des puissances d'un moteur asynchrone

• Pa : Puissance électrique absorbée : Pa = 3UI cosϕ

• pJS : Pertes par effet Joule dans le stator : Si r est la résistance d'un enroulement :

pJS = 3rI² dans le cas d'un couplage étoile

pJS = 3rJ²= 3r I

3 ² = rI² dans le cas d'un couplage triangle

Si R est la résistance mesurée entre deux bornes, quelque soit le couplage :

pJS = 32

RI ²

• pFS : Pertes dans le fer au stator : elles dépendent de U et f

• Ptr : Puissance transmise au rotor par le couple électromagnétique développé grâce au champ tournant

Ptr = Pa – pJS ­ pFS

Ptr = Tem OMEGAs avec Tem : moment du couple électromagnétique (Nm)

La puissance transmise au rotor est convertie d'une part en puissance mécanique PM et

­ 4 ­

Pa

pJS pJR

pm

Pu

Stator Rotor

PMPtr

pFS

(Montage étoile : R=2r, donc r =R/2 Montage triangle : R=2r//r=2r²/3r=2r/3, donc r=3R/2)

pFR

d'autre part en pertes fer au rotor et pertes par effet Joule pJR dans les conducteurs du rotor.

• PM : Puissance mécanique totale : PM = TemΩ

T em=P tr

OMEGAs

=PM

OMEGA⇒P M=Ptr

OMEGAOMEGAs

=P tr

OMEGAs 1−g

OMEGAs PM = Ptr(1­g)

• pFS : pertes fer rotoriques : elles sont négligeables, car la fréquence des courants rotoriques est très faible (fR = g.fS)

• pJR : pertes par effet Joule dans le rotor : pJR = Ptr – PM = Ptr – Ptr(1­g) pJR = gPtr

• pm : Pertes mécaniques : elles sont dues aux différents frottements

pm = Tp. Ω avec Tp : moment du couple de pertes (Nm)

• Pu : Puissance mécanique utile :

Pu = TuΩ avec Tu : moment du couple utile (Nm) et Tu = Tem­Tp

Pu = PM­pm = Ptr(1­g)­pm = Pa – pJS ­ pFS – pJR ­pm

Expression du rendement

η=Pu

Pa

=T u OMEGA

3UI cosϕ

Expression approchée du rendement : au voisinage de sa puissance nominale, on peut négliger les pertes du moteur sauf celles perdues par effet joule dans le rotor.

η=Pu

Pa

≈PM

Pa

≈P tr 1−g

Ptr

≈1−g

(C'est la valeur limite supérieure du rendement. Ce résultat montre qu'il faut que le glissement reste faible.)

­ 5 ­

IV. Caractéristique mécanique et point de fonctionnement

1. Caractéristique mécanique : Tu=f(n') (on peut aussi représenter Tu=f(Ω) ou Tu=f(n))

On constate que : la caractéristique mécanique présente un maximum pour n'=0, le moment du couple utile est non nul, le moteur asynchrone possède un

couple au démarrage important pour n'=n's (g=0), le moment du couple utile est nul (point correspondant au

fonctionnement à vide) pour n' proche de n's, la caractéristique est assimilable à une droite d'équation :

Tu = an'+b. Cette zone est la zone utile pour laquelle on utilise le moteur. (pour trouver a et b, on choisit deux points sur la droite)

Remarque : l'axe des abscisses peut représenter le glissement.

En effet : g=n ' s−n '

n ' s

=1−n 'n ' s

.

L'axe en n' et l'axe en g sont opposés.D'où la caractéristique avec l'axe des abscisses en g :

­ 6 ­

n'(tr/min)

Tud : moment du couple utile au démarrageTumax

Tud

Tu(N.m)

n'S

zone utile

U et f sont constants

Dans sa partie utile (g faible), la caractéristique Tu(g) est assimilable à une droite passant par l'origine : g=0 (moteur à vide) entraîne Tu=0.Pour des glissements faibles, on a la relation : Tu=kg

2. Point de fonctionnement

Comme pour les autres moteurs, le point de fonctionnement du groupe moteur+charge est le point d'intersection de la caractéristique du moteur: Tu et de la caractéristique de la charge: Tr.Ce point de fonctionnement doit se trouver dans la partie utile de la caractéristique du moteur.

Les quatre principales caractéristiques idéalisées de charges

­ 7 ­

Tud : moment du couple utile au démarrageTumax

Tud

Tu(N.m)

0g 1

P

Machine à couple inversement proportionnel à la vitesse (enrouleuse, compresseur,

essoreuse, fraisage, perçage)

Machine à couple constant (levage, broyage, pompe)

Machine à couple proportionnel à la vitesse (agitateurs, mélangeurs industriels)

Machine à couple proportionnel au carré de la vitesse (ventilateur)

V. Démarrage des moteurs asynchrones

Au démarrage, le moment du couple moteur est, dans les conditions habituelles d’utilisation, très supérieur au moment du couple résistant. L’accélération est donc brutale et le courant appelé est susceptible d’être très important.Ce phénomène, sans inconvénient pour les petits moteurs, est inacceptable dès que la puissance atteint quelques dizaines de kilowatts. Il est alors nécessaire de mettre en oeuvre des procédés particuliers de démarrage.

a) Démarrage par diminution de la tension d’alimentation

• les enroulements sont couplés en étoile pour le démarrage, après cette phase transitoire, un coupleur permet de passer au couplage en triangle (qui doit être le couplage pour le fonctionnement normal, ce procédé n'est donc possible que si le réseau le permet).

• Pour des moteurs de quelques kilowatts, la tension est diminuée par insertion d’un rhéostat triphasé en série avec les enroulements du stator.

­ 8 ­

• Le réglage de la tension appliquée au stator peut être réalisé à l'aide d'un gradateur électronique (composés de thyristors). Il permet de contrôler simultanément plusieurs grandeurs: intensité du courant de démarrage, accélération, etc.

b) Pour des moteurs à rotor bobiné: démarrage avec insertion de résistances en série avec les enroulements rotoriquesAu démarrage, le moteur se comporte comme un transformateur dont le rotor est le secondaire. En limitant les intensités des courants rotoriques, ce procédé permet de diminuer l’intensité du courant appelé.

VI. Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones

Pour faire la vitesse d'un MAS, on peut agir :

a. sur la tension : la variation de tension sera obtenue par l'utilisation de systèmes électroniques appelés gradateurs de tension, constitués de thyristors.Exemple de gradateur à 6 thyristors

La variation de la tension efficace, donc de la vitesse, est réalisée en modifiant le temps de conduction des thyristors.

b. sur la tension et la fréquence

• Lorsque la fréquence statorique varie, la vitesse de synchronisme nS varie également. Il en est de même pour la vitesse n du moteur proche de nS (mais inférieure à celle­ci).

• Si les chutes de tension dans les enroulements statoriques sont négligées, la tension aux bornes d'un enroulement peut s'écrire : V=KNf Φ (avec K: coefficient qui dépend de la machine, N: nombre de conducteurs d'un enroulement, f: fréquence de la tension d'alimentation et Φ : flux maximal embrassé par une spire du stator).Pour que le moteur puisse développer un couple maximal constant, il faut que le flux maximal soit constant.

Or: Φ=1

KN.Vf

. Il faut donc alimenter le moteur en maintenant le rapport Vf

constant.

­ 9 ­

Ceci est réalisé grâce à un variateur de vitesse comprenant un onduleur autonome qui maintient Vf

constant.

Exemple de variateur de vitesse :

Pour des valeurs de V et de f telles que Vf

soit constant , on obtient le réseau de caractéristiques

mécaniques ci­dessous. La zone utile est l’ensemble des segments de droites parallèles.

Avantage : Le réglage de la vitesse devient possible dans un très large domaine.

­ 10 ­

Schéma fonctionnel simplifié:

REDRESSEUR FILTRE ONDULEUR

∼ ∼