UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU FACULTE DE GENIE DE LA CONSTRUCTION DEPARTEMENT D’ELECTROMECANIQUE Exposé Module : Machine électrique Thème : Moteur asynchrone monophasé Présenté par : Mr CHEMAKH AMAR Mr FERHAT AMAZIGH Prof responsable : Mr HOCINI INTRODUCTION La machine asynchrone, connue également sous le terme anglo-saxon de machine à induction, est une machine électrique à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Comme les autres machines électriques (machine à courant continu, machine synchrone), la machine asynchrone est un convertisseur électromécanique basé sur l'électromagnétisme permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant électrique et un dispositif mécanique. Cette machine est réversible et susceptible de se comporter, selon la source d'énergie, soit en « moteur » soit en « générateur », dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse : en fonctionnement « moteur », dans deux quadrants du plan couple-vitesse, l'énergie électrique apportée par la source est transformée en énergie mécanique vers la charge; en fonctionnement « générateur », dans les deux autres quadrants , l'énergie mécanique de la charge est transformée en énergie électrique vers la source (la machine se comporte comme un frein). Comme ce fonctionnement est sans discontinuité et ne dépend pas de la machine elle-même mais de l'ensemble source d'alimentation/machine/charge, la distinction moteur/générateur est « communément » faite par rapport à la finalité d'usage de la machine. C'est ainsi que dans le langage commun l'utilisation de « moteur asynchrone » pour désigner cette machine est fréquent. Les machines possédant un rotor « en cage d'écureuil » sont aussi connues sous le nom de machines à cage ou machines à cage d'écureuil. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de rotation du rotor de ces machines n'est pas exactement déterminée par la fréquence des courants qui traversent leur stator. I. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE La constitution interne d'une machine asynchrone monophasée est la même que celle d'une machine triphasée à la différence près, que son stator est composé d'un enroulement et non de trois (ou de deux dans les anciennes machines asynchrones diphasées). Le champ magnétique créé par une bobine monophasée est un champ pulsant et non tournant comme pour celui créé par trois bobines triphasées (ou deux bobines diphasées). Un champ pulsant peut se décomposer en deux champs tournants qui se déplacent dans des sens opposés. Chaque champ tournant tendant à entraîner la machine dans le même sens que lui. Lorsque le rotor est à l'arrêt, le couple créé par chacun des champs tournants est de même valeur. Ainsi, la machine ne peut démarrer. Pour démarrer une telle machine, il faut donc la lancer ou avoir recours à un dispositif annexe. Une fois lancée, et amenée à sa vitesse nominale, la machine possède un glissement proche de 0 pour l'un des champs tournants, et de 2 pour le second. Le couple créé par le premier champ étant plus important que le couple créé par celui de sens contraire, le moteur continue à tourner. Les machines asynchrones monophasées ont des caractéristiques (couple/puissance massique, rendement, facteur de puissance, etc.) plus faibles que leurs homologues multiphasées. Ces machines sont toujours utilisées en moteur et généralement limitées à des puissances de quelques kilowatts. 1 Généralités Il existe une grande variété de moteurs monophasés adaptés à une multitude d'applications comme l’usage domestique ou petit industriel en l’absence de triphasé. 2 Câblage d’un moteur monophasé 2 Moteur asynchrone monophasé à lancer Le stator à 3 bobinages du moteur asynchrone triphasé produit un champ tournant. Par contre un stator monophasé produit un champ alternatif, c'est-à-dire de direction constante mais variant en grandeur et en sens. Ce champ alternatif peut se décomposer en deux champs tournants en sens inverse l'un de l'autre. La démonstration « à contrario » est plus simple : nous partons de 2 champs tournants en sens inverses et en les additionnant à chaque instant, la figure ci-dessous démontre qu'ils sont équivalents à un champ alternatif non tournant (fixe). Graphe du couple en fonction du glissement. Nous connaissons l'allure M = f(g) d'un rotor soumis à un champ tournant (moteur triphasé). Ici, nous avons 2 champs tournants et donc 2 caractéristiques: M1 = f(n) et M2 = f(n ) qui est la même image mais inversée (Couple et vitesse négatifs). Composons graphiquement ces 2 caractéristiques pour obtenir l'allure donnée par le champ alternatif fixe. Le couple résultant est nul à vitesse nulle c'est à dire au démarrage. Le moteur ne peut démarrer seul. Par contre, si nous lançons le moteur dans un sens ou dans l'autre, on trouve un couple moteur qui permet le démarrage dans ce sens. Toutefois ce couple reste inférieur à celui qu'aurait développé un moteur triphasé. Il faut donc lancer ce moteur suffisamment que pour obtenir un couple moteur supérieur au couple résistant de la machine entraînée. Si le moteur ne démarre pas et qu'il est mal protégé, il risque de brûler. Ce type de moteur n’est plus utilisé 3 Moteur asynchrone monophasé à phase auxiliaire Le moteur asynchrone monophasé se compose essentiellement d'un rotor à cage d' écureuil semblable à celui des moteurs triphasés, et d'un stator. Le stator porte un enroulementprincipal bobiné de façon à former des pôles dont le nombre détermine la vitesse de la machine. Il porte aussi un enroulement auxiliaire qui fonctionne seulement durant la brève période de démarrage. L'enroulement auxiliaire a le même nombre de pôles que l'enroulement principal et est disposé à 90° de ce dernier. L' enroulement principal produit un fluxs et l'enroulement auxiliaire, un flux a. Si ces deux flux sont déphasés l'un par rapport à l'autre, il en résulte un champ tournant. On obtient un champ tournant parfait quand s et a sont égaux et déphasés de 90°. Dans ces conditions, le couple de démarrage atteint sa valeur maximale et le moteur fonctionne en moteur diphasé. Cependant, comme on le verra plus loin, le déphasage est généralement inférieur à la valeur idéale de 90°. Différentes techniques existent pour déphaser les flux, la plus utilisée aujourd’hui consiste en la mise en série d’un condensateur avec l’enroulement auxiliaire. Le moteur agit comme un véritable moteur diphasé seulement lorsqu'il fonctionne à pleine charge. Dans ces circonstances, les flux Ia et Is créés par les deux enroulements sont égaux et déphasés de 90°. Par conséquent, pour ce type de moteur, la vibration qui caractérise les moteurs monophasés est éliminée lorsqu' il fonctionne à pleine charge. Cependant, la vibration réapparaît aux faibles charges. Notons aussi que la vitesse synchrone d’un moteur monophasé obéit à la même loi qu’un moteur triphasé. 4 Moteur à phase auxiliaire et condensateur de démarrage Le courant est déphasé par un condensateur de démarrage, ce qui renforce l'un des champs tournants et déforce l'autre. Le champ résultant donne un couple au démarrage. Dès que le moteur atteint sa vitesse, un interrupteur centrifuge débranche la phase auxiliaire car le condensateur n'est pas prévu pour un régime permanent. 5 Moteur à phase auxiliaire et condensateur permanent Puisque la phase auxiliaire améliore toujours le couple et le cosφ, nous pouvons envisager de la laisser insérée en permanence. Dans ce cas le couple de démarrage est généralement faible. Il existe cependant des moteurs possédant deux condensateurs (permanent et démarrage). Le condensateur de démarrage possède une grande capacitance et assure ainsi un gros couple de démarrage. Dès que le moteur atteint 75 % de sa vitesse synchrone, ce condensateur est débranché. Inversion du sens de marche L'inversion de sens de marche est obtenue en permutant les connexions principales ou auxiliaires si elles sont sorties. Cependant, si le moteur contient un interrupteur centrifuge, on ne peut pas changer la rotation lorsque le moteur est en marche. Si l'on intervertit les bornes de l'enroulement principal, le moteur continuera à tourner dans le même sens. Dans le cas du moteur à condensateur permanent, on peut inverser le sens de rotation parce que les deux enroulements sont toujours en service. Ainsi, un simple commutateur à 2 pôles permet de changer la rotation. Dans ce type de moteur, les deux enroulements sont identiques. Lorsque le commutateur est en position 1 la tension de la ligne apparaît aux bornes de l'enroulement A et le condensateur est en série avec l'enroulement B. Dès que le commutateur bascule en position 2, le moteur ralentit, arrête, puis retourne à pleine vitesse dans le sens opposé. 6 Moteur à bagues de court-circuit (Shaded-pole motor) Ce moteur est aussi appelé moteur à spires de Fraëger Le moteur à bagues de court-circuit est très répandu dans les puissances inférieures à 50 W car il ne contient pas de phase auxiliaire conventionnelle. Dans ce petit moteur monophasé à cage, l'enroulement auxiliaire est constitué d'une seule spire de cuivre en courtcircuit en forme de bague disposée autour d'une portion de chaque pôle saillant. Cette spire entoure une partie 2 du champ alternatif 1 créé par l'enroulement principal, de sorte qu'un courant alternatif est induit dans la bague. Ce courant produit un flux a qui est déphasé en arrière des flux 2 et s. Ce déphasage des flux a et s produit un champ tournant suffisant pour assurer le démarrage. Même si le couple de démarrage, le rendement et le cos sont faibles, la simplicité du bobinage et l'absence d'interrupteur centrifuge donnent à ce type de moteur un avantage marqué. Le sens de rotation de ce moteur ne peut être changé; il est imposé par la position des bagues. 7 Moteur série ou universel Le moteur série monophasé est du type à collecteur. À l'exception du circuit magnétique qui est entièrement lamellé pour réduire les pertes par courants de Foucault, il est identique au moteur série à courant continu. Il peut fonctionner indifféremment en courant alternatif ou en courant continu; c'est pourquoi on lui donne souvent le nom de moteur universel. Quand une tension alternative est appliquée aux bornes du moteur série, le même courant circule dans l'induit et dans les pôles du moteur. Le courant d'induit de même que le flux produit par les pôles changent donc de sens périodiquement et simultanément. Par conséquent, le couple produit dans le rotor agit toujours dans le même sens. Ce moteur ne produit pas de champ tournant; son principe de fonctionnement est le même que celui du moteur série à courant continu et il possède les mêmes caractéristiques de base. principal avantage des moteurs série à puissance fractionnaire réside dans leur vitesse élevée. Ils conviennent donc à l'entraînement des aspirateurs domestiques et aux petites Le machines -outils. À vide, ces moteurs atteignent des vitesses de l'ordre de 10 000 à 15 000 r/min; la vitesse chute en flèche lorsque le moteur est chargé. À cause de sa vitesse élevée et, par conséquent, son faible couple, ce type de moteur est moins volumineux et moins lourd que les autres types de moteurs monophasés de même puissance. Cet avantage est exploité dans les outils portatifs où le poids et l'encombrement sont particulièrement importants. Ici le graphique de .la vitesse, du courant et du rendement d'un moteur série de faible puissance. 8 Moteur asynchrone triphasé alimenté en monophasé Au départ, il s’agit d’un moteur triphasé, deux des enroulements sont pris comme principaux, le troisième servant de phase auxiliaire. Les déphasages géométriques (120°) ne correspondent pas tout à fait aux déphasages électriques, mais le fonctionnement en est satisfaisant. Par contre, ils peuvent être remis sans frais en triphasé lorsque le client Bibliographie J. Chatelain, Machines électriques. Volume X du traité d'électricité, d'électronique et d'électrotechnique, Presse polytechnique romande, Éd. Georgi 1983 ; réédité par Dunod, 1993. A. Fouillé, Électrotechnique à l'usage des ingénieurs. T.2, Machines électriques, Dunod, 1969. Jean-Paul Hautier, Jean-Pierre Caron, Modélisation et commande de la machine asynchrone, vol. 7, Paris, TECHNIP, coll. « Méthodes et pratiques », 1995, 304 p. (ISBN 2-71080683-5). Mikhail Kostenko et Ludvik Piotrovski, Machines électriques, t. II, Machines à courant alternatif, Éditions de Moscou (MIR), 1969 ; 3e édition, 1979, 766 p. M. Poloujadoff, Conversions électromécaniques : maîtrise d'EEA et C3 - Électrotechnique, Dunod, Paris, 1969. M. Poloujadoff, Machines asynchrones - Régime permanent, D 3480, Encyclopédie de Techniques de l'ingénieur, 1998. M. Poloujadoff, Machines asynchrones - Régimes quelconques, D 3485, Encyclopédie de Techniques de l'ingénieur, 2000. B. Saint-Jean, Électrotechnique et Machines électriques, LIDEC - Eyrolles, 1976, 373 p. (ISBN 0-7762-5651-3).
