la machine asynchrone
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FONCTION CONVERTIR L’ENERGIE LA MACHINE ASYNCHRONE Objectif terminal : A la fin de la séquence, l’élève sera capable de : _ justifier le choix du convertisseur d’énergie Objectif intermédiaire : _ identifier la structure interne de la machine _ identifier les caractéristiques de la machine grâce à la plaque à borne _ justifier le type de couplage effectué sur la machine _ identifier les différentes caractéristiques de couple et de courant de la machine _ identifier et justifier les différents procédés de démarrages de la machine _ justifier le type de service et la classe de protection de la machine Prérequis : _ les grandeurs électriques caractérisant la machine asynchrone I. INTRODUCTION Les moteurs asynchrones représentent au moins 80% des moteurs électriques utilisés couramment ; cela est dû, en grande partie à : _ son coût peu élevé _ sa robustesse _ sa simplicité de construction _ ses facilités de démarrage II. FONCTION Le moteur asynchrone est une machine transformant l’énergie électrique apportée par le courant alternatif monophasé ou triphasé en énergie mécanique. C’est un convertisseur d’énergie ; Il est caractérisé par des grandeurs d’entrées qui sont électriques et des grandeurs de sorties qui sont mécaniques. III. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Les trois champs alternatifs produits par les 3 bobines identiques placées à 120° alimentées en courant triphasé se composent pour former un champ magnétique tournant. Le champ magnétique tournant, induit dans le disque conducteur des courants de Foucault. Ceux-ci, d’après la loi de Lenz doivent s’opposer à la cause qui leur à donné naissance. Comme ils ne peuvent empêcher la rotation du champ tournant, ils entraînent le disque en rotation, mais en aucun cas, le disque ne peut atteindre la vitesse du champ sinon il y a suppression du phénomène qui est à l’origine des courants induits. Le moteur asynchrone Page 1 sur 9 Terminale électrotechnique IV. CONSTITUTION On classe les différentes pièces rencontrées dans toutes machines tournantes selon les trois grandes fonctions réalisées. Organes constitutifs Organes électriques 1- Enroulements statoriques 2- Barres de cuivre rotorique Organes mécaniques 5- Carter avec fixation ou stator 6- Rotor avec son arbre 7- Roulements à bille 8- flasques 9- Ventilateur 10- Capot de ventilation Organes magnétiques 3- circuit magnétique fixe 4- Circuit magnétiques tournant 11- Tige de montage 12- Plaques à bornes • Rôles des organes Organes électriques _ produire le flux électromagnétique ( champ tournant ) _ assurer la continuité de l’énergie entre le réseau et la machine Organes magnétiques _ canaliser le flux électromagnétique avec un minimum de pertes Organes mécaniques _ d’assurer la transmission de l’énergie mécanique _ d’assurer le support et le guidage des masses tournantes _ d’assurer la protection des parties actives _ d’assurer la fixation de la machine Ces différents organes peuvent être regroupés en 2 parties : _ la partie fixe : Le stator _ la partie mobile : le rotor Le moteur asynchrone Page 2 sur 9 Terminale électrotechnique Le stator : Partie fixe comprenant trois enroulements identiques répartis sur un circuit magnétique feuilleté ( tôle en acier au silicium pour diminuer les pertes par hystérésis et par courant de Foucault, en général ces tôles sont isolées par oxydation ou par un vernis isolant ). Les enroulements sont constitués de conducteurs logés dans des encoches du circuit magnétique. Ces enroulements seront alimentés par le réseau via la plaque à bornes. Le rotor : Il existe deux types de rotor : Le rotor à cage d’écureuil Le bobinage est réduit à un ensemble de conducteurs ( 1 ) dont toutes les extrémités ( 2 ) sont reliées entre elles en formant une cage. Ce type de rotor est aussi appelé rotor en court- circuit. Le rotor bobiné Trois enroulements couplés en étoile, le point neutre n’est pas accessible, par contre, les entrées des enroulements sont reliés à la plaque à bornes du stator via un ensemble de bagues et de balais. Le circuit magnétique du rotor est aussi feuilleté. Bague L1 A rb re L2 B a la i L3 S ta to r R oto r R R R R é s is t a n c e s d e d é m a r r a g e Le moteur asynchrone Page 3 sur 9 Terminale électrotechnique • Intérêt de ce type de rotor On utilise ce type de rotor s'il faut absolument limiter l'appel du courant au démarrage et obtenir un couple de démarrage élevé : Démarrage rotorique. V. GRANDEURS CARACTERISTIQUES 5.1 Relations grandeurs d’entrées / grandeurs de sorties ♦ La puissance électrique (W) absorbée par un moteur asynchrone Pa= 3 × U × I × cos ϕ ♦ La vitesse de synchronisme (tr/s) : vitesse de rotation du champ tournant Ns= f p f :fréquence de synchronisme, fréquence du réseau ( Hz ) p : nombre de paires de pôles du stator ♦ La vitesse angulaire du rotor Ω (rad/s) : s’exprime à partir de la vitesse de rotation du rotor Ω = 2× Π × n n : vitesse de rotation en (tr/s) remarque : n est inférieur à ns ♦ La puissance mécanique (puissance utile) est celle obtenue sur l’arbre du moteur, c’est celle qui désigne la puissance nominale du moteur Pu s’exprime en W Pu = Cu × Ω Cu : couple utile moteur (N.m) Ω en rad/s ♦ Le glissement : c’est un écart relatif, il est donc sans unité, il s’exprime en % g= ns − n ns 5.2 Bilan de puissance ENERGIE ELECTRIQUE CONVERTIR ENERGIE MECANIQUE L’ENERGIE pertes Moteur asynchrone Le moteur asynchrone Page 4 sur 9 Terminale électrotechnique Puissance transmise au stator Pertes par effet joules au stator Puissance transmise au rotor ( Puissance électromagnétique ) Pertes par effet joules au rotor Puissance mécanique rotorique Pertes mécaniques dues à la ventilation Puissance mécanique utile Pertes par hystérésis et courant de foucault au stator Pertes par hystérésis et courant de foucault au rotor Pertes mécaniques dues aux frottement des paliers Rappels _ pertes par courant de Foucault : lorsqu’un courant alternatif parcourt une bobine fixée sur un noyau magnétique, il y a création d’un flux alternatif. Ce flux variable crée dans le circuit magnétique des courants induits appelés courant de Foucault qui provoquent des pertes par effet joule et donc provoque un échauffement du matériau. _ pertes par hystérésis : lorsqu’un matériau magnétique est soumis à un flux variable, il y a aimantation puis désaimantation de la matière. L’énergie qui est absorbée durant l’aimantation n’est pas totalement restituée lors de la désaimantation, une partie se transforme en chaleur. Remarque : Les pertes par hystérésis et par courant de Foucault sont liées. On parle généralement de pertes fer globales. 5.3 La plaque signalétique Cette plaque, située sur la machine, nous donne les caractéristiques du moteur. • Exemple de plaque • Type de service : S1, S2, S3,… • Type de construction _ indice de protection IP 54 Il existe deux familles de fixation : à pattes ou à flasques-brides. Deux codes existent selon les positions de fixation. _ position verticale ( V ) ou horizontale ( B ) • Contraintes liées à l’environnement Les conditions normales d’utilisation des moteurs standard sont : une température comprise entre –16 et + 40°C ; l’altitude inférieure à 1000m. Des corrections seront apportées en dehors de ces valeurs. Le moteur asynchrone Page 5 sur 9 Terminale électrotechnique • Caractéristiques électriques ➪ tension : 220 / 380V → La plus petite des tensions indique la tension maximum supportée par un enroulement ➪ courant : 290A / 167A _ Moteur couplé en triangle (220V ), il absorbe en ligne 290A et par enroulement 167A au point de fonctionnement nominal. _ Moteur couplé en étoile (380V ), il absorbe en ligne et par enroulement 167A au point de fonctionnement nominal. ➪ fréquence : 50 Hz ➪ nombre de phase 3 ➪ facteur de puissance : cosϕ =0.87 , ϕ est le déphasage entre le courant circulant dans un enroulement et la tension aux bornes de cet enroulement. • Caractéristiques mécaniques ➪ puissance : 90 kW , c’est la puissance utile sur l’arbre au point de fonctionnement nominal. ➪ vitesse : 1480 tr/min → vitesse de rotation du rotor au point de fonctionnement nominal. 5.4 Couplage des enroulements statoriques d’une MASYN Les 3 enroulements étant accessibles sur la plaque à bornes, nous pouvons le coupler en étoile ou en triangle. Le couplage est réalisé à l’aide de barrettes de cuivre. • Couplage étoile : symbole Y → les 3 enroulements ont un point commun à X,Y et Z. Exemple : Un moteur 220/380 V sera branché en étoile pour un réseau triphasé 220/380 V ( 380 V tension entre phases ).Chaque enroulement supporte 220 V. • Couplage triangle : symbole D → les 3 enroulements sont montés en série et les points communs reliés à chaque phase du réseau. Exemple : Un moteur 380/660 V sera branché en triangle pour un réseau triphasé 220/380 V ( 380 V tension entre phases ). Chaque enroulement supporte 380 V. U W V U Le moteur asynchrone W U V W Page 6 sur 9 V W U V Terminale électrotechnique VI. CHOIX D’UN MOTEUR ASYNCHRONE 1. Déterminer la puissance utile ( catalogue ) _ Altitude _ Type de service : continu, temporaire, intermittent… 2. Choisir le type de construction _ Aptitude du matériel à supporter les 3 influences externes : - présence de corps solides - présence d’eau - risques de choc mécaniques _ Lettre qui définit la tenue en température du bobinage ( classe d’isolation ) 3. Choisir le genre du moteur _ à cage _ à rotor bobiné 4. Déterminer le couplage et le type de démarrage 5. Déterminer les options de montage _ Type de carcasse : fonte, acier, type de fixation… _ Boîte à bornes : raccordement, étanchéité… _ Encombrement _ Refroidissement : ventilateur, huile… _ Formes de construction : moteur à axe vertical ou horizontal TABLEAU CONSTRUCTEUR MOTEUR ASYNCHRONE Le moteur asynchrone Page 7 sur 9 Terminale électrotechnique DOCUMENTS TECHNIQUES TYPE DE SERVICE INDICE DE PROTECTION TYPE DE CONSTRUCTION Le moteur asynchrone Page 8 sur 9 Terminale électrotechnique MODE DE FIXATION CVB Classes d’isolation Echauffement maxi ∆θ °K Température maxi θmaxi °C A 60 100 E 75 115 B 80 125 F 105 155 H 125 180 CONTRAINTES LIEES A L’ENVIRONNEMENT Le moteur asynchrone Page 9 sur 9 Terminale électrotechnique
