E. S .I. DTS MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASÉS Moteurs Asynchrones triphasés 1 E. S .I. Volume horaire : DTS EAI 2 9 heures Types d’activités : CM = 6h ; TD = 3h Objectifs: Connaître les éléments et caractéristiques fondamentaux du moteur asynchrone Compétences visées: Être capable de : ➢ Énoncer le principe de fonctionnement du moteur asynchrone triphasé, ➢ Connaître ses caractéristiques de fonctionnement, ➢ Connaître les paramètres influençant sa marche industrielle, Moteurs Asynchrones triphasés 2 E. S .I. DTS 2 SOMMAIRE I. GÉNÉRALITÉS II. CONSTITUTION III. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI. ÉTUDE ÉLECTRIQUE-DIAGRAMME CIRCULAIRE SIMPLIFIÉ VII. UTILISATION PRATIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE VIII. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ Moteurs Asynchrones triphasés 3 E. S .I. Moteurs Asynchrones triphasés DTS 4 E. S .I. DTS I. GÉNÉRALITÉS Moteur asynchrone : ou moteur d’induction est une machine électrique tournante qui permet la transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique pour entrainer un mécanisme quelconque. Moteur asynchrone Puissance électrique fournie par l’alimentation électrique (puissance absorbée) Moteurs Asynchrones triphasés Pertes Puissance mécanique disponible sur l’arbre du moteur (puissance utile) 5 E. S .I. DTS I. GÉNÉRALITÉS On distingue plusieurs types de moteurs dont les principaux sont : ➢ Moteur asynchrone (ou d’induction) triphasé à cage d’écureuil ou en court-circuit, ➢ Moteur asynchrone (ou d’induction) triphasé à rotor bobiné ou à bague ➢ Moteur asynchrone (ou d’induction) monophasé ➢ Moteur synchrone ➢ Moteur universel : moteur série fonctionnant en courant continu ou alternatif ➢ Moteur à courant continu ➢ Moteur spéciaux : Moteurs pas à pas, … Les moteurs d’induction triphasés sont les moteurs les plus utilisés dans l’industrie. Ils possèdent en effet plusieurs avantages : simplicité, robustesse, prix peu élevé et entretien facile Moteurs Asynchrones triphasés 6 E. S .I. DTS I. GÉNÉRALITÉS Autres avantages : ▪ Il n'y a pas d'alimentation du rotor donc aucun problème d'usure de collecteur. ▪ Sauf pour des charges élevées, le démarrage est autonome. Cependant, ces moteurs ont une vitesse pratiquement constante et ils se prêtent assez mal au réglage de la vitesse, Pour cette raison, on leur préfère habituellement les moteurs à courant continu lorsqu’on veut obtenir une grande variation de vitesse. Toutefois, il existe aujourd’hui des systèmes d’entraînement électroniques (variateurs de vitesse, démarreurs ralentisseurs) qui permettent de faire varier la vitesse des moteurs d’induction. Le principe de fonctionnement de la machine asynchrone repose sur la création d'un champ magnétique tournant. Moteurs Asynchrones triphasés 7 E. S .I. DTS II. NOTION DE CHAMP TOURNANT Un aimant fixe bipolaire crée dans l’espace un champ d’induction magnétique fixe. En entrainant cet aimant à la vitesse de rotation Ω𝑠 , on crée un champ tournant à la même vitesse d’entraînement de l’aimant. Moteurs Asynchrones triphasés 8 E. S .I. DTS II. NOTION DE CHAMP TOURNANT Il existe un autre moyen de crée un champ tournant (théorème de Ferraris) en alimentant par un système de tensions triphasées équilibrées trois bobines physiquement fixes dans l’espace disposées à 120° l’une par rapport a l’autre. https://youtu.be/hUJbCE61Yk4 https://youtu.be/6YwaxKUWhWw?list=RDCMUCxFIGdogceAaOn3b9pJycvg Moteurs Asynchrones triphasés 9 DTS E. S .I. II. NOTION DE CHAMP TOURNANT ❖ Vitesse de synchronisme La vitesse synchrone représente la vitesse de rotation du champ magnétique tournant. Elle dépend de la fréquence de la tension d'alimentation et du nombre de pôles par phase. Ainsi, plus le nombre de pôles par phase sera grand, plus la vitesse synchrone sera petite. On peut calculer la vitesse synchrone en appliquant l'équation suivante : 𝜴𝑺 𝐫𝐚𝐝/𝐬 𝝎 = 𝒑 Soit 𝒏𝑺 𝐭𝐫/𝒎𝒊𝒏 𝟔𝟎𝒇 = 𝒑 ƒ = fréquence de la tension d'alimentation en Hz. p = nombre de paires de pôles par phase Moteurs Asynchrones triphasés 10 E. S .I. DTS III. CONSTITUTION Un moteur asynchrone comporte deux parties principales : ➢ Le stator (partie fixe), ➢ le rotor (partie mobile) ➢ Un entrefer qui sépare le stator du rotor. Le stator et le rotor sont formées d’un empilage de tôles magnétiques isolées les unes des autres (feuilletées) pour réduire les pertes fer. Moteurs Asynchrones triphasés 11 E. S .I. DTS III. CONSTITUTION III.1. Le stator Le stator est un cylindre creux muni d’encoche parallèles à l’axe de la machine dans lesquels sont logés des conducteurs qui forment l’enroulement statorique Moteurs Asynchrones triphasés 12 E. S .I. DTS III. CONSTITUTION III.2. Le rotor Le rotor est un cylindre fait de d’un empilage de tôles ferromagnétiques solidaire à l’arbre de rotation. Sur la périphérie extérieure du rotor est réalisé des encoches destinées à recevoir des conducteurs pour former le bobinage rotorique. Le rotor est séparé du stator par un entrefer très court de l’ordre de 0,4 à 2 mm seulement. On distingue deux types de rotor : ➢ Le rotor bobiné (machine asynchrone à rotor bobiné ou à bague) ➢ Le rotor à cage d’écureuil ou en court-circuit (machine asynchrone à cage où à rotor en court-circuit) Moteurs Asynchrones triphasés 13 E. S .I. DTS III. CONSTITUTION III.2. Le rotor III.2.1. Rotor bobiné Utilisé pour des moteurs asynchrones de grandes puissances, le rotor bobiné comprend un bobinage, placé dans les encoches et composé de trois enroulements raccordés en étoile ; l’extrémité libre de chaque enroulement est reliée à une bague tournant avec l’arbre. Ces bagues permettent, par l’intermédiaire de trois balais, d’insérer une résistance et faire varier la résistance du circuit rotorique. En fonctionnement normal, les trois balais sont court-circuités. MAS à bagues ou à rotor bobiné Moteurs Asynchrones triphasés 14 E. S .I. DTS III. CONSTITUTION III.2. Le rotor III.2.1. Rotor bobiné Moteurs Asynchrones triphasés 15 E. S .I. DTS III. CONSTITUTION III.2. Le rotor III.2.2. Rotor à cage d’écureuil Utilisé pour des moteurs asynchrones de petites puissances (usuellement < 10 kW), il est constitué de barres conductrices logées dans des encoches du rotor. Les barres conductrices sont court-circuitées en permanence par deux anneaux conducteurs situées aux deux extrémités du rotor. On le qualifie de « cage d’écureuil » en raison de sa forme. La résistance électrique de ce type de rotor est très faible. C’est le rotor le plus utilisé dans les moteurs asynchrones. Moteurs Asynchrones triphasés 16 E. S .I. DTS III. CONSTITUTION III.2. Le rotor III.2.2. Rotor à cage d’écureuil Moteurs Asynchrones triphasés 17 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.1. Principe de base Le principe de base est celui de la force de Laplace : 𝐹Ԧ = 𝑖 𝑙Ԧ ∧ 𝐵 Un conducteur de longueur 𝑙, traversé par un courant 𝑖 et placée dans un champ magnétique 𝐵 , se met en mouvement. Ce déplacement est dû à une force électromagnétique appelée « Force de Laplace ». Moteurs Asynchrones triphasés 18 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.2. Théorie de fonctionnement ➢ Le stator constitué de trois enroulement est alimenté par un système de tension triphasé équilibré de fréquence 𝑓 𝜔 , ➢ Il se crée d’après le théorème de Ferrari un champ tournant de à la vitesse de rotation 𝜔 (vitesse de synchronisme) Ω𝑠 = 𝑝 , ➢ Le rotor étant placé au centre des 3 enroulement subit, l’influence du champ tournant, ➢ Le champ tournant induit dans le rotor un courant électrique, ➢ L’interaction entre ces courants rotoriques et le champ tournant statorique crée un couple électromagnétique par la loi de Laplace qui va entrainer le rotor en rotation dans le sens du champ tournant mais à une vitesse 𝑁 inférieur à la vitesse de synchronisme 𝑁𝑠 , Moteurs Asynchrones triphasés C’est parce que le mouvement du rotor n’est pas synchrone de celui du champ que ce moteur est dit asynchrone 19 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.2. Théorie de fonctionnement Moteurs Asynchrones triphasés 20 DTS E. S .I. IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.3. Fonctionnement en moteur asynchrone IV.3.1. Glissement C’est l’écart relatif entre la vitesse de rotation du rotor et la vitesse de synchronisme, il se note g. Le glissement dépend de la charge et est défini par : N𝒏s − N Ω𝒔 − Ω 𝑵𝒔 − 𝑵 𝒏𝒔 − 𝒈= = =g = Ω𝒔 𝑵𝒔 𝒏𝒔 N s N = N s (1 − g ) Ωs , Ns et ns : vitesse de synchronisme respectivement en rad/s, tr/min et tr/s Ω, N et n : vitesse de rotation du rotor respectivement en rad/s, tr/min et tr/s ➢ À vide : 𝛺 ≈ 𝛺𝑠 , g est de l’ordre de 0,05 à 0,1% ➢ A l’arrêt et donc au début du démarrage : 𝛺 = 0 ; g = 1 ➢ Au point nominal g = quelques % (environ 5%) Moteurs Asynchrones triphasés 21 DTS E. S .I. IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.3. Fonctionnement en moteur asynchrone IV.3.2. Vitesse du champ tournant rotorique le long de l’entrefer La vitesse absolue du champ tournant produit par le stator : Ω𝑠 La vitesse relative du champ tournant produit par le stator par rapport au rotor : Ω𝑟𝑒𝑙 = Ω𝑠 − Ω = 𝑔Ω𝑠 La pulsation des courants rotoriques : 𝜔𝑟 = 𝑝. Ω𝑟𝑒𝑙 = 𝑝 Ω𝑠 − Ω = 𝑔. 𝑝. Ω𝑠 𝝎𝒓 = 𝒈. 𝝎 Moteurs Asynchrones triphasés et 𝒇𝒓 = 𝒈. 𝒇 22 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.3. Fonctionnement en moteur asynchrone IV.3.3. Fonctionnement à vide A vide le moteur n’entraîne pas de charge. 𝑔 = 0 (de 0,05 à 0,1% en pratique) et donc Ω0 = Ω𝑠 𝑜𝑢 𝑛0 = 𝑛𝑠 𝑜𝑢 𝑁0 = 𝑁𝑠 Conséquence : le moteur tourne à la vitesse de synchronisme NB : Le facteur de puissance à vide est très faible (<0,2) et le courant absorbée reste fort (la puissance active P est petite tandis que la puissance réactive Q est grande). Ceci est très mauvais pour le facteur de puissance global de l’installation. Moteurs Asynchrones triphasés 23 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.4. Plaque à bornes des moteurs asynchrones triphasés et choix du couplage IV.4.1. Plaque à bornes des moteurs asynchrones triphasés Dans le cas des machines triphasées on a accès aux bornes du bobinage statorique par la plaque à bornes. Deux cas de figures peuvent se présenter : ➢ Si le couplage est imposé (étoile ou triangle), la plaque à bornes comporte les 3 bornes accessibles du bobinage pour l’alimentation du moteur. La plaque signalétique indique le type de couplage et les niveaux de tensions. ➢ Si le couplage est libre, la plaque à bornes comporte 6 bornes représentant les deux extrémités de chacun des trois enroulements et dont la disposition est normalisée pour faciliter la réalisation du couplage. Moteurs Asynchrones triphasés 24 DTS E. S .I. IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.4. Plaque à bornes des moteurs asynchrones triphasés et choix du couplage IV.4.2. Couplage des moteurs asynchrones triphasés Selon la tension du réseau, chaque enroulement devra être alimente soit entre deux phases (couplage triangle) soit entre phase et neutre (couplage étoile). Dans le cas du couplage libre, le choix du couplage est déterminé par le réseau disponible. ➢ Sur la plaque signalétique du moteur on a : UΔ / UY - f UY = 3 UΔ ➢ Pour le réseau disponible on a : V / U. • 𝑼 = 𝑼𝒀 : couplage étoile • 𝑼 = 𝑼𝜟 : couplage triangle Moteurs Asynchrones triphasés 25 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.4. Plaque à bornes des moteurs asynchrones triphasés et choix du couplage IV.4.2. Couplage des moteurs asynchrones triphasés Moteurs Asynchrones triphasés 26 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.5. Plaque signalétique du moteur asynchrone triphasé C’est une plaque sur laquelle sont inscrites les caractéristiques du moteur en fonctionnement normal (couplage, tension, puissance, intensité etc.); Généralement deux tensions sont inscrites dessus : ▪ La petite tension correspond à la tension nominale de l’enroulement ou la tension entre phases dans le cas d’un couplage triangle; ▪ La plus grande tension correspond à la tension entre phases dans le cas d’un couplage étoile. C’est la carte d’identité du moteur, on y retrouve fréquemment : Moteurs Asynchrones triphasés 27 E. S .I. DTS IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.4. Plaque signalétique du moteur asynchrone triphasé Moteurs Asynchrones triphasés 28 DTS E. S .I. IV. FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRONE IV.5. Plaque signalétique du moteur asynchrone triphasé Attention : Pour les moteurs, Puissance utile (mécanique) Puissance électrique absorbée Pa = Puissance électrique absorbée Pa Pu Courant d’emploi (absorbé) I 15000 Pa = = 17045,5 W 0,88 Stator MAS : P=15kW ; =88% Pa ? I ? Pertes mécaniques (frottements) Moteurs Asynchrones triphasés Pa Pu I= = 3U cos 3U cos Puissance mécanique utile Pu Rotor Pertes fer Pu exprimée en • W • CV (1 CV = 735.499 W) Pertes Joule Nota Bene : Certains constructeurs donnent la Puissance utile Pu et le rendement ! 29 E. S .I. DTS V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.1. Schéma monophasé équivalent Un moteur asynchrone triphasé se comporte comme un transformateur triphasé à champ tournant dont le secondaire (rotor) de fréquence 𝒈 × 𝒇 est en mouvement par rapport au primaire (stator) de fréquence 𝒇 : L1 et L2 les inductances de fuites des enroulements statorique et rotorique, Kp1 et Kp2 les coefficients de Kapp des enroulements statorique et rotorique; R1 et R2 les résistances des enroulements statorique et rotorique 𝐸1 = 𝐾𝑃1 𝑁1 𝑓𝛷𝑚 𝐸2 = 𝐾𝑃2 𝑁2 𝑔𝑓𝛷𝑚 Moteurs Asynchrones triphasés 𝐾𝑝2 𝑁2 𝐸2 = 𝑔 𝐸1 𝐾𝑝1 𝑁1 N1 et N2 le nombre de conducteur 𝐸2 = 𝑔. 𝑚 des enroulements statorique et 𝐸1 rotorique, 30 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.1. Schéma monophasé équivalent On obtient le schéma équivalent monophasé vu du stator suivant : 𝐼1 𝑅1 𝑗𝐿1 𝜔 𝐼1t 𝐼10 𝐼10a 𝑉1 𝑅F 𝑗𝐿′2 𝜔 𝐼10r 𝐿m 𝐸1 𝑅′2 𝑔 𝑉1 = R1 + jL1 ω I1 − E1 𝐼1𝑡 = −𝑚𝐼2 𝐼1 = I10 + I1t 𝑹′𝟐 = 𝒎𝟐𝟐 : résistance du rotor ramenée au stator 𝑅2, 𝐸1 = − + 𝑗𝐿′2 𝜔 𝐼1𝑡 𝑔 Moteurs Asynchrones triphasés 𝑹 𝑳 𝑳′𝟐 = 𝒎𝟐𝟐 : inductance de fuite du rotor ramenée au stator 31 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.2. Etude du couple du moteur asynchrone (Cem) V.2.1. Equation du couple La puissance transmise au rotor par le stator à travers l’entrefer est celle 𝑅2′ . 𝑔 consommée par la résistance 𝑃𝑡𝑟 = 3𝑅′2 2 𝐼 𝑔 1𝑡 𝐶𝑒𝑚 = 2 𝐼1𝑡 = 𝑪𝒆𝒎 = 𝐸12 𝑅′2 𝑔 𝟑. 𝑽𝟐𝟏 Moteurs Asynchrones triphasés Ω𝒔 ≈ 2 + 𝐿′2 𝜔 . 2 𝑉12 𝑅′2 𝑔 𝑹′𝟐 𝒈 𝑹′𝟐 𝒈 𝑃𝑡𝑟 3𝑅′2 2 = 𝐼 Ω𝑠 𝑔. Ω𝑠 1𝑡 𝟐 + 𝑳′𝟐 𝝎 𝟐 2 + 𝐿′2 𝜔 2 𝟑. 𝑽𝟐𝟏 = × Ω𝒔 𝑹′𝟐 𝒈𝑹′𝟐 𝟐 + 𝒈𝑳′ 𝝎 𝟐 𝟐 32 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.2. Etude du couple du moteur asynchrone (Cem) V.2.2. Étude de la caractéristique du couple 𝐶𝑒𝑚 3. 𝑉12 = × Ω𝑠 𝑅′2 𝑔𝑅′2 2 + 𝑔𝐿′ 𝜔 2 2 ➢ Pour les faibles valeurs du glissement (g), l’expression du couple devient : 𝑪𝒆𝒎 3. 𝑽12 𝒈 ≈ ∗ Ω𝒔 𝑹′2 Cem=f(g) est une droite ➢ Pour les fortes valeurs du couple, on a : 𝑪𝒆𝒎 3. 𝑽12 𝑹′2 ≈ ∗ Ω𝒔 𝒈 𝑳′2 𝝎 Moteurs Asynchrones triphasés 2 Cem=f(g) est une hyperbole 33 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.2. Etude du couple du moteur asynchrone (Cem) V.2.2. Étude de la caractéristique du couple 𝐶𝑒𝑚 3. 𝑉12 = × Ω𝑠 𝑅′2 En effectuant la dérivée du couple on obtient : 𝑔𝑅′2 2 + 𝑔𝐿′ 𝜔 2 2 𝑑𝐶𝑒𝑚 3. 𝑉12 𝑅′2 𝑅′22 − 𝑔𝐿′2 𝜔 = ∗ 𝑑𝑔 Ω𝑠 𝑅′22 + 𝑔𝐿′2 𝜔 2 2 2 Le couple atteint son maximum à : 𝑔0max 𝑅′2 = 𝐿′2 𝜔 𝐶𝑒𝑚𝑀𝑎𝑥 = 𝐶𝑒𝑚 𝑔0𝑚𝑎𝑥 3. 𝑉12 1 = ∗ Ω𝑠 2𝐿′2 𝜔 Le couple atteint son minimum à : 𝑔0min 𝑅′2 =− 𝐿′2 𝜔 Moteurs Asynchrones triphasés 𝐶𝑒𝑚𝑀𝑖𝑛 = 𝐶𝑒𝑚 𝑔0min 3. 𝑉12 1 =− ∗ Ω𝑠 2𝐿′2 𝜔 34 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.2. Etude du couple du moteur asynchrone (Cem) V.2.2. Étude de la caractéristique du couple On peut distinguer 3 fonctionnement différentes. zones de ➢ Zone I, 0 < Ω < Ωs : Cem et Ω sont de même signe, la machine fonctionne en moteur. ➢ Zone II, Ω > Ωs : le fonctionnement est dit hypersynchrone, la machine couplée sur le réseau fonctionne en génératrice hyper synchrone. ➢ Zone III, Ω < 0 : le rotor tourne en sens inverse du champ tournant du stator. La machine tente d’inverser sa vitesse. c’est un freinage Moteurs Asynchrones triphasés 35 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.2. Etude du couple du moteur asynchrone (Cem) V.2.3. Caractéristique couple-vitesse : C=f(N) Zone considérée comme linéaire (zone de fonctionnement du moteur) Couple maximal Cm Couple de Démarrage Cd Point de vitesse nominale Couple nominal Cn Vitesse de synchronisme Ns Ns Vitesse nominale Nn Moteurs Asynchrones triphasés 36 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.2. Etude du couple du moteur asynchrone (Cem) V.2.3. Caractéristique couple-vitesse : C=f(N) La zone de fonctionnement peut être linéarisée Cn Nn à N = Ns, C = 0 Linéarisation : 𝐶 = 𝑎𝑁 + 𝑏 à N = Nn, C = Cn Moteurs Asynchrones triphasés Ns 𝐶n × 𝑁s 𝐶n et b = − 𝑎= 𝑁n − 𝑁𝑠 𝑁n − 𝑁𝑠 37 DTS E. S .I. V. ÉTUDES ÉLECTROMÉCANIQUES V.2. Etude du couple du moteur asynchrone (Cem) V.2.4. Point de fonctionnement du moteur en charge ➢ En fonctionnement établi, le couple moteur Cm est égal au couple résistant Cr développé par la charge (machine entraînée) ➢ Le point de fonctionnement est le point d’intersection entre les caractéristiques couple-vitesse du moteur et celle de la charge Cm − Cr = J • • • d dt Accélération Cm : couple moteur Cr : couple résistant J : moment d’inertie En régime établi, la vitesse est constante et Cm=Cr Moteurs Asynchrones triphasés 38 DTS E. S .I. VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Puissance absorbée 𝑷𝒂 = 𝟑. 𝑼. 𝑰. 𝒄𝒐𝒔𝝋 𝑷𝒂 = 𝑽. 𝑰. 𝒄𝒐𝒔𝝋 Moteur triphasé Moteur monophasé Où U est la tension entre phase du réseau, V la tension simple du réseau, I le courant de ligne et cos le facteur de puissance du moteur. Moteurs Asynchrones triphasés 39 E. S .I. DTS VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Pertes par effet joule au stator (Pjs) 𝑷𝒋𝒔 = 𝟑. 𝒓. 𝑰𝟐 Couplage étoile 𝑷𝒋𝒔 = 𝒓. 𝑰𝟐 Couplage triangle 𝟑 Couplage étoile et triangle 𝑷𝒋𝒔 = . 𝑹. 𝑰𝟐 𝟐 Où r est la résistance d’un enroulement, I le courant de ligne et R la résistance entre deux bornes du stator Moteurs Asynchrones triphasés 40 E. S .I. DTS VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Pertes fer au stator (Pfs) Les pertes fer au stator sont dues aux courants de Foucault et à l’Hystérésis dans le matériau ferromagnétique du circuit magnétique. Elles sont proportionnelles à de la tension d’alimentation et la fréquence des courants statoriques. Les pertes fer peuvent être considérées comme constantes quelle que soit la charge du moteur asynchrone. Dans la pratique, les pertes fer sont données par le constructeur ou mesurées lors d’un essai à vide, en même temps que les pertes mécaniques. Moteurs Asynchrones triphasés 41 DTS E. S .I. VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Puissance transmise au rotor (Ptr) La puissance transmise au rotor à travers l’entrefer Ptr est la partie de puissance absorbée qui n’est pas perdue dans les enroulements du stator et dans le fer 𝑷𝒕𝒓 = 𝑷𝒂 − 𝑷𝑱𝑠 + 𝑷𝑭𝒔 Moteurs Asynchrones triphasés 𝑹′ 2 2 = 𝑪𝒆𝒎 Ω𝒔 = 3 ∗ ∗ 𝑰1𝒕 𝒈 42 E. S .I. DTS VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Pertes joule au rotor (Pjr) Ce sont les pertes Joule dans les enroulements rotoriques : 𝑷𝑱𝒓 = 𝟑 ∗ 𝑹𝟐 ∗ 𝑰𝟐𝟐 = 𝟑 ∗ 𝑹′ 𝟐 ∗ 𝑰𝟐𝟏𝒕 = 𝒈. 𝑷𝒕𝒓 Moteurs Asynchrones triphasés 43 E. S .I. DTS VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Puissance électromagnétique (Pem) 𝑷𝒆𝒎 = 𝑷𝒕𝒓 − 𝑷𝑱𝑟 = 1 − 𝒈 𝑷𝒕𝒓 Les pertes fer du rotor étant négligeables, la puissance électromagnétique 𝑃𝑒𝑚 est égale à la puissance mécanique 𝑃𝑀 (𝑃𝑒𝑚 = 𝑃𝑀 ) Moteurs Asynchrones triphasés 44 E. S .I. DTS VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Pertes mécaniques (Pm) Les pertes mécaniques sont dues au frottement des paliers, roulement et balais et les pertes par ventilation. Elles dépendent uniquement de la vitesse de rotation du moteur. Étant donné que la vitesse du moteur varie peu avec la charge. Ces pertes sont donc considérées comme constantes et déterminées à l’aide d’un essai à vide. Moteurs Asynchrones triphasés 45 E. S .I. DTS VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Puissance utile 𝑷𝒖 = 𝑪𝒖 Ω = 𝑷𝑴 − 𝑷𝒎 = 1 − 𝒈 𝑷𝒕𝒓 − 𝑷𝒎 Moteurs Asynchrones triphasés 46 DTS E. S .I. VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.1. Bilan des puissances ➢ Détermination des pertes constantes (Pc) Les pertes constantes Pc, aussi appelées pertes collectives, regroupent les pertes fer et les pertes mécaniques. Pour les déterminer, on réalise un essai à vide 𝑷𝒂0 = 𝑷𝒖0 + 𝑷𝑱𝑺0 + 𝑷𝑱𝑹0 + 𝑷𝑪 à vide, g0 = 0 donc PJr0 = 0. à vide, le moteur ne délivre pas de puissance utile, donc Pu0 = 0. 𝑷𝑪 = 𝑷𝒂0 − 𝑷𝑱𝑺0 Moteurs Asynchrones triphasés 47 E. S .I. DTS VI. BILAN DES PUISSANCES ET RENDEMENT VI.2. Rendement 𝐏𝐮 𝐏𝐚 − σ 𝐏𝐞𝐫𝐭𝐞𝐬 𝛈= = 𝐏𝐚 𝐏𝐚 𝐏𝐮 𝐏𝐮 𝛈= = 𝐏𝐮 + σ 𝐏𝐞𝐫𝐭𝐞𝐬 𝐏𝐮 + 𝐏𝐣𝐬 + 𝐏𝐣𝐫 + 𝐏𝐜 Moteurs Asynchrones triphasés 48 DTS E. S .I. VII. ÉTUDE ÉLECTRIQUE-DIAGRAMME CIRCULAIRE SIMPLIFIÉ Le diagramme circulaire simplifié d’un moteur asynchrone permet de prévoir les conditions de fonctionnement en charge. VII.1. Hypothèse ▪ Les résistances et inductances de fuite du stator sont négligées ▪ Les pertes mécaniques sont négligées ▪ La tension d’alimentation est constante 𝐼1 = 𝐼10 + 𝐼1𝑡 𝑉1 = 𝑅′2 + 𝑗𝐿′2 𝜔 𝐼1𝑡 𝑔 𝐼10 = 𝑉1 Moteurs Asynchrones triphasés 1 1 + 𝑅𝐹 𝑗𝐿𝑚 𝜔 49 DTS E. S .I. VII. ÉTUDE ÉLECTRIQUE-DIAGRAMME CIRCULAIRE SIMPLIFIÉ VII.2. Tracé expérimentale du cercle Le tracé est réalisé à partir de deux essais effectués sur la machine : ❖ Essai à vide Moteur non chargé : s ; g0 Condition : U10=U1n On détermine le point A tel que 𝑰𝟏𝟎 𝑨 𝒄𝒐𝒔 𝝋𝟏𝟎 𝒄𝒐𝒔 𝝋𝟏𝟎 = Moteurs Asynchrones triphasés 𝑷𝟏𝟎 𝟑 ∗ 𝑼𝟏𝟎 ∗ 𝑰𝟏𝟎 50 DTS E. S .I. VII. ÉTUDE ÉLECTRIQUE-DIAGRAMME CIRCULAIRE SIMPLIFIÉ VII.2. Tracé expérimentale du cercle Le tracé est réalisé à partir de deux essais effectués sur la machine : ❖ Essai en court-circuit Rotor bloqué : =0 ; g=1 Conditions : - A réaliser sous tension réduite : U1ccr<<U1n - Bloquer le rotor. - Veiller à ne pas dépasser I1n. Moteurs Asynchrones triphasés On détermine le point D tel que 𝑈 𝐼1𝑐𝑐 = 𝐼1𝑐𝑐𝑟 𝑈 1n 1𝑐𝑐𝑟 𝐷 𝑃1𝑐𝑐𝑟 cos 𝜑1𝑐𝑐 = 3 ∗ 𝑈1𝑐𝑐𝑟 ∗ 𝐼1𝑐𝑐𝑟 51 DTS E. S .I. VII. ÉTUDE ÉLECTRIQUE-DIAGRAMME CIRCULAIRE SIMPLIFIÉ VII.2. Tracé expérimentale du cercle Ox Oy Moteurs Asynchrones triphasés 52 DTS E. S .I. VIII. UTILISATION PRATIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE VIII.1. Démarrage des moteurs asynchrones Au démarrage, on a g = 1 𝐼𝑑 = 𝐶𝑒𝑚𝑑 𝑉1 𝑅′2 2 + 𝐿′2 𝜔 3. 𝑉12 = . Ω𝑠 𝑅′2 𝑅′2 2 + 𝐿′ 𝜔 2 Moteurs Asynchrones triphasés 𝐼𝑑 ≫ 𝐼𝑛 2 2 l’intensité du courant de démarrage peut varier entre 6 et plus de 10 fois le courant nominal Couple élevé au démarrage supérieur au couple nominal (le moteur peut donc démarrer directement) 53 E. S .I. DTS VIII. UTILISATION PRATIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE VIII.1. Démarrage des moteurs asynchrones ➢ Conséquences du fort appel de courant au démarrage ▪ Un échauffement excessif des enroulements (courant important) qui risque de provoquer la détérioration du bobinage ▪ Une chute de tension importante qui peut être inadmissible pour les autres récepteurs de la ligne. ➢ Objectif : Réduction de l’appel de courant au démarrage pour les moteurs de moyenne et de forte puissance (>5kW) Moteurs Asynchrones triphasés 54 E. S .I. DTS VIII. UTILISATION PRATIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE VIII.1. Démarrage des moteurs asynchrones ➢ La réduction du courant de démarrage => réduction du couple de démarrage => cause d’échec du démarrage ➢ Compromis à trouver : limiter le courant pendant le démarrage tout en conservant un couple moteur suffisant pour assurer le démarrage Moteurs Asynchrones triphasés 55 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ Dans les installations domestiques, il n’existe pas, en général, de distribution triphasée. On est donc amené, pour des utilisations courantes à utiliser des moteurs monophasés. Ce moteur est très similaire au moteur asynchrone, mais il comporte deux enroulements statoriques : un enroulement principal, et un enroulement auxiliaire utilisé parfois uniquement pendant le démarrage. Ce dernier sera mis hors service une fois la vitesse de fonctionnement atteinte par un dispositif centrifuge. Moteurs Asynchrones triphasés 56 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ IX.1. Principe D’après le théorème de Leblanc, un enroulement monophasé produit deux champs tournants de vitesse ± 𝜔 𝑝 = ±𝛺𝑠 . Le rotor ne démarre pas car il est sollicité dans les deux sens de rotation par chacun des deux champs tournant en sens inverse l’une de l’autre. Pour contraindre le moteur asynchrone monophasé à démarrer, il faut créer un champ tournant de démarrage. Pour cela, il suffit de deux phases décalées spatialement de 90° et parcourues par des courants déphasé. Pour créer deux phases à partir du réseau monophasé, on rajoute un bobinage supplémentaire, dit bobinage de démarrage (auxiliaire), en parallèle avec le bobinage principal, à 90° degrés du bobinage principal Moteurs Asynchrones triphasés 57 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ IX.1. Principe Moteurs Asynchrones triphasés 58 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ IX.2. Moteur asynchrone monophasé à phase auxiliaire résistive ▪ Ne convient pas aux démarrages fréquents ▪ Construction simple ▪ Couple de démarrage faible (suite au faible déphasage de courant) Moteurs Asynchrones triphasés 59 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ IX.3.Moteur asynchrone monophasé à condensateur de démarrage Il est constitué d’un enroulement principal, et l'ajout d'un condensateur en série avec l'enroulement auxiliaire. La présence du condensateur crée un déphasage plus important entre les champs magnétiques créés par les enroulements auxiliaire et principal. Ceci permet d’avoir un champ tournant résultant plus elevé. Le rotor, du type cage, est alors le siège de courant induits et va fournir un couple. Une fois la vitesse atteinte, le rotor étant accroché sur le champ tournant, on déconnecte l’enroulement auxiliaire. Sur certains modèles, on le laisse en service mais en série avec un condensateur de plus faible valeur (cela permet d’améliorer le facteur de puissance) Moteurs Asynchrones triphasés 60 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ IX.3.Moteur asynchrone monophasé à phase auxiliaire et condensateur de démarrage Moteurs Asynchrones triphasés 61 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ IX.4.Moteur asynchrone monophasé à bagues de court-circuit (à spires de Fraëger ) Un courant est induit dans les anneaux de cuivre (ils sont traversés par un champ magnétique variable créé par le courant du bobinage du stator). Ces courants sont déphasés par rapport au courant du stator. L’interaction entre les flux créés par le courant circulant dans les anneaux de cuivre et le courant du bobinage du stator crée un champ tournant suffisant pour assurer le démarrage. ▪ Faible couple de démarrage (déphasage faible): pour très faibles puissances (inférieures à 50 W) ▪ Vibrations ▪ sens de rotation fixe ▪ construction très simple et peu coûteuse Moteurs Asynchrones triphasés 62 E. S .I. DTS IX. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASÉ IX.5. Moteur asynchrone triphasé alimenté en monophasé Il est possible de faire fonctionner en monophasé un moteur triphasé. Deux des enroulements sont alors pris comme enroulement principal et le troisième servant d’enroulement auxiliaire. Moteurs Asynchrones triphasés 63
