Moteur asynchrone triphasé : Cours complet

C : Convertir Cours C-1 Moteur asynchrone
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Résoudre
Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions, des puissances échangées, des énergies
transmises ou stockées.
Construire graphiquement les lois de l’électricité à partir des vecteurs de Fresnel
Déterminer les caractéristiques mécaniques de l’actionneur
Déterminer le point de fonctionnement
1 Introduction
Les machines asynchrones sont très utilisées, on estime que 80% des moteurs de la planète sont des moteurs
asynchrones car leur coût est inférieur à celui des autres machines, de plus ces machines sont robustes. Ce sont des
convertisseurs électromécaniques d’énergie (électrique – mécanique) qui disposent d’une réversibilité en puissance.
Elle peut donc fonctionner en moteur où en générateur.
Cours
C
-
1
TSI1 TSI2
La conversion électromécanique
d’énergie :
Machine asynchrone triphasée
X
Période
1
2
3
4
5
Cycle 2 : Convertir - Transmettre Durée : 3 semaines
X
Moteur asynchrone à
Cage d’écureuil
Moteur asynchrone à
Rotor bobiné
Réseau
Tri 400 V
Redresseur
+ onduleur
Moteur
asynchrone
Symboles
électriques
:

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2 Constitution
Un moteur asynchrone triphasé est constitué d’une partie fixe ou stator, supportant le bobinage et d’une partie
tournante ou rotor ou les courants sont induits.
3 Principe de fonctionnement
Champ magnétique tournant :
Le principe de fonctionnement de la machine asynchrone s'appuie sur la création d'un champ magnétique tournant
auquel est soumise une partie libre en rotation appelée rotor. En réaction, le rotor va à son tour créer un champ
magnétique. C'est l’interaction entre ces champs qui est responsable de la rotation de la machine.
Le stator, alimenté par un réseau triphasé de fréquence f, crée une induction tournante B
S
de vitesse n
S
.
Le stator ou inducteur
est constitué de trois enroulements
(bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasés.
Les 3 courants alternatifs équilibrés créent un champ magnétique
tournant unique et constant (Théorème de FERRARIS).
L’accès à ces bobinages se fera par la plaque à bornes située sur
le dessus du stator.
Le
rotor bobiné est relié à l’extérieur
par 3 bagues tournantes.
Reliées à des balais, cela permettra de
modifier les caractéristiques électriques
du rotor en vue de modifier le couple
de la machine.
Bagues
rotoriques
Le rotor à cage d’écureuil est
constitué
de barres court-circuitées aux
extrémités par des anneaux et sans
liaison vers la partie fixe.
Il est de constitution plus simple mais
ne permet pas de modifier les
caractéristiques du rotor.
Rotor bobiné
Rotor à cage d’écureuil

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On constate que le champ Bs est bien un champ tournant qui fait un tour pour une période de la tension.
Le rotor est balayé par cette induction et des forces
électromotrices sont engendrées dans les conducteurs
(loi de Faraday e = dφ/dt).
Comme les circuits rotoriques sont fermés, des courants
rotoriques prennent naissance et génèrent à leur tour un
champ magnétique rotorique B
r
. L’interaction entre B
s
et
B
r
crée un couple électromécanique qui entraîne en
rotation la partie mobile ( ).
Pour optimiser le couple C
em
, il faudra maîtriser les
amplitudes des courants statoriques et rotoriques ainsi
que l’angle δ (δ =π/2 pour le C
em
maximum).
Pour qu’il y ait couple, il faut donc :
- que les circuits rotoriques soient fermés,
- que la vitesse n prise par le rotor soit différente
de la vitesse n
S
du champ magnétique inducteur.
Si n = n
S
, les conducteurs tournent à la vitesse de
l’induction statorique, aucune f.é.m. n’est induite, et par
conséquent aucun courant ne circule dans le rotor : il ne peut y avoir de couple.
Le champ magnétique de chacune des bobines est proportionnel à la tension qui l'alimente.
Le cham Bs est la somme des 3 champs magnétiques :
instant t
1
instant t
2
instant t
3
Réseau triphasé
de tensions
déphasées de 120°
t
1
t
2
t
3
Les bobines statoriques
sont géométriquement décalées de 120°
δ

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L'origine du terme asynchrone est due à l’écart de vitesse entre le champ tournant créé par le bobinage statorique et
la rotation du rotor, nécessaire à l'existence d'un couple.
Pour un moteur asynchrone à cage, les courants sont induits dans les barreaux de la cage d’écureuil et se referment
par les anneaux d’extrémité du rotor.
4 Couplage des moteurs asynchrones
Les constructeurs indiquent en général deux tensions sur la plaque signalétique du moteur.
C’est la tension la plus faible qui correspond à la tension nominale Un de chaque bobinage.
 Si le réseau d'alimentation triphasé à une tension entre phases (tension composée ) de même valeur que
, on peut directement alimenter chaque bobinage sous cette tension. On réalise le couplage triangle.
 Si le réseau d'alimentation triphasé à une tension entre phase et neutre (tension simple ) de même valeur
que , la tension composée du réseau est     . Le couplage utilisé sera le couplage
étoile.
5 Modèle électrique équivalent du moteur asynchrone
Le fonctionnement étant en régime triphasé équilibré, on étudie seulement les grandeurs relatives à une phase.
Toutes les grandeurs de puissances seront à multiplier par 3.
La puissance développée par la résistance modélise la puissance électromécanique transmise du stator au rotor :
!"
 #
$
La résistance modélisée par
est une résistance fictive elle représente le transfert de puissance entre le stator et
le rotor.
Enroulement
moteur
Neutre si (
%
car) les trois
enroulements sont identiques.
&
'
&
'
I
1
I
2
I
10
X
2
X
1
V
1
Eléments du modèle
(une seule phase) :
X
1
: réactance de magnétisation (L
1
.ω
s
)
X
2
: réactance de fuite du rotor ramenée au stator (L
2
.ω
s
)
R2 : résistance rotorique représentant les pertes joules
ramenée au stator
ω
s
: pulsation des courants statoriques
g : glissement

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6 Performances
6.1 Vitesse de synchronisme
n
s
: vitesse de synchronisme en tr.s
-1
(Ω
s
en rad.s
-1
)
(
)
*
+
,-.
)
/
)
+
f : fréquence d’alimentation du moteur en Hz (ω en rads
-1
)
p : nombre de paires de pôles de la machine
p = 1, machine à 2 pôles ou bipolaire, n
s
= 50 tr.s
-1
ou 3000 tr.min
-1
p = 2, machine à 4 pôles ou tétrapolaire, n
s
= 25 tr.s
-1
ou 1500 tr.min
-1
p = 3, machine à 6 pôles ou hexapolaire, n
s
= 16.67 tr.s
-1
ou 1000 tr.min
-1
etc.
On remarque que la vitesse de synchronisme est imposée définitivement d’une part à la construction du moteur, par
le nombre de pôles 2p, et d’autre part par la fréquence f du réseau d’alimentation.
6.2 Glissement
Le glissement g correspond à un écart relatif de vitesse entre champ tournant et vitesse du rotor. Ce glissement est
indispensable à la création des courants induits au rotor pour l’obtention du couple électromagnétique.
  (
)
0 (
(
)
.
)
0 .
.
)
1(  (
)
23 0 4
En régime de fonctionnement normal g est très faible, de l’ordre de quelques % environ.
Exemple : Moteur 4 pôles N
nominal
= 1460 tr.min
-1
On en déduit N
s
= 1500 tr.min
-1
et g = (1500 – 1460)/1500 = 2,66%
6.3 Couple moteur C
em
, relations qualitatives :
La puissance transmise du stator au rotor vaut
!"
 5
!"
.
)
où Cem est le couple électromécanique exercé par le stator sur le rotor et
67 
89
:
est la vitesse de synchronisme en rad/s qui dépend de la fréquence
du courant f et du nombre de paires de pôles p
Le modèle présenté plus haut nous permet d'écrire qu'il s'agit également de la puissance dissipée par la résistance
R
2
/g représentant la charge :
!"
 # $ ;
Par identification, des 2 expressions on obtient l'expression
<
=
>?
@
A
<
=
B
>CD
A
En écrivant la loi des mailles sur la branche représentant le rotor,on obtient : $
E
3
F G HI
En remplaçant $ par son expression, on obtient l'expression qu'il ne faut pas connaitre mais qu'il faut savoir
retrouver : 5
!"
 #
.
)
E
3
;
F G HI ;
 #
+
JK*
E
3
;
F G HI ;
Couple en régime nominal
En régime nominal le glissement g étant très faible on obtient la simplification suivante (avec R
2
/g >> X
2
) :
5
!"
 # +
K*E
3
; 
On voit donc qu'en régime nominal, le couple est proprotionnel au glissement.