Chap. V: Moteurs Asynchrones Triphasés

Chap. V: Moteurs Asynchrones Triphasés
Les moteurs asynchrones sont des moteurs employés fréquemment en industrie,
ils possèdent plusieurs avantages: simplicité, robustesse, prix moins élevé et
entretien facile.
1. Parties Principales & Principe de Fonctionnement
Le moteur asynchrone comprend deux parties:
Stator: comporte une carcasse en acier renfermant un empilage de tôles
identiques qui constitue un cylindre vide.
Rotor: se compose d’un cylindre de tôles poinçonnées à leurs périphériques
pour former les encoches destinées à recevoir les conducteurs. Il existe deux
types de rotors:
- Le rotor à cage d’Écureuil
- Le rotor bobiné
a. Principe de Fonctionnement
Considérant une série de conducteur de longueur l dont les extrémités sont
court-circuitées par deux barres conductrices A et B (Cf. Figure V-1).
Un aimant permanent se déplace rapidement vers la droite à une vitesse V, de
sorte que son champ magnétique B coupe les conducteurs à tour de rôle. Une
tension E=Blv est induite dans chacun des conducteurs coupé par le champ. Un
courant I se met à circuler dans le conducteur en dessous de l’aimant, par
conséquent il est soumis à une force magnétique dans le sens du déplacement du
champ. A mesure que ‘l’échelle’ gagne de la vitesse, la coupure des conducteurs
se fait moins rapide et la tension induite diminue.
 Dans le moteur asynchrone ‘l’échelle’ est recourbé pour former une cage
(CF. Figure V-2) et l’aimant est remplacé par un champ tournant.
b. Champ Tournant
Trois enroulements identiques, composés chacun de 2 bobines sont disposés à
120° l’un de l’autre relié en étoile (CF. Figure V-3).
La bobine constitue une charge équilibrée ‘symétrie parfaire’, si on applique une
tension alternative aux bornes A, B et C, des courants alternatifs Ia, Ib, et Ic
déphasés de 120° traversent les bobines engendrant des flux Figure V-4.
La vitesse de rotation du champ dépend de la fréquence de la source:
60Hz  3600tr/mn;
5Hz  300tr/mn
Puisque la vitesse de rotation du champ est forcement synchronisée avec la
fréquence du réseau, on l’appelle vitesse synchrone.
La vitesse de rotation du champ (vitesse synchrone) est : Ns=120 f / p
- Ns : vitesse synchrone
- f : la fréquence de la source
- p : nombre de pole par phase
Lorsque les enroulements d’un stator sont arrangés pour former 2 pôles par
phase (6 pôles par tout) on obtient un champ tournant bipolaire divisant la
vitesse de rotation par 2. Si l’on intervertie deux fils de lignes alimentant le
stator, le moteur tourne dans le sens contraire.
2. Démarrage du moteur à Cage d’Écureuil
Au moment où l’on ferme l’interrupteur pour brancher les enroulements du
stator d’un moteur asynchrone sur une ligne triphasée, les phénomènes suivant
se produisent :
- Les tensions du système triphasé, appliqués au stator du moteur asynchrone y
produisent des courants triphasés ;
- Les courants triphasés produisent un champ tournant ;
- Le champ tournant induit une tension dans les barres du rotor ;
- La tension induite donne naissance à des courants intenses dans les barres ;
- Les barres portant le courant et situées dans un champ sont soumises à des
forces électromagnétiques,
- Les forces tendent à entraîner le rotor dans le sens de rotation du champ,
 La vitesse du rotor doit être légèrement inférieure à la vitesse synchrone
pour produire un courant et, par conséquent, un couple suffisant pour vaincre
les frottements.
3. Glissement Tension et Fréquence
La vitesse de glissement Ng d’un moteur asynchrone est la différence entre la
vitesse synchrone et la vitesse du rotor : Ng = Ns – N.
Le glissement s d’un moteur asynchrone est la différence entre la vitesse
synchrone et celle du rotor exprimé relativement à la vitesse synchrone.
La valeur de N est positive lorsque le rotor tourne dans le même sens que le
champ tournant.
N
N N
s s
 g
Ns
Ns
s : glissement
Ns : vitesse synchrone
N : vitesse du rotor
Ng : vitesse de glissement
Le glissement d’un moteur tournant à vide est presque nul, alors qu’il est à
1lorsque le moteur est à l’arrêt.
La tension et la fréquence induites dans le rotor dépendent du glissement. Elles
sont données par:
- f2 = sf
- E2 = sEco
f2 : fréquence dans le rotor Hz
f : fréquence du réseau
s : le glissement
Eco : tension induite dans le rotor à circuit ouvert, le rotor étant immobile
4. Cheminement de la puissance active
Lorsqu’on alimente un moteur asynchrone, une partie P js de la puissance active
Pe qu’il reçoit est dissipée par effet joule dans les enroulements du stator, une
autre partie Pf est perdue dans le fer. Le reste de la puissance Pr est transporté au
rotor, par induction, à travers l’entrefer.
Une troisième tranche Pjr se dissipe par effet joule dans les enroulements du
rotor, et le reste Pm est enfin disponible sous forme de puissance mécanique.
Si l’on en soustrait les pertes par ventilation et friction Pv, on obtient la
puissance mécanique Pmc fournie à la charge (CF. Figure V-5).
 est le rendement du moteur :
P
  mc
Pjr  sPr
Pe
Pm  Pr  Pjr  Pr (1  s)
T
9.55Pm
9.55Pr

n
ns
6. Moteurs asynchrones fonctionnant comme frein
a. Freinage par inversion
Lorsqu’on désire provoquer un arrêt rapide, on utilise le freinage par inversion:
On intervertie deux fils de ligne de sorte que le champ tourne en sens inverse du
rotor; Le moteur agit comme frein. Dans ce cas le moteur absorbe de l’énergie
cinétique, qui sera entièrement dissipée en chaleur dans le rotor (Cf. Figure V9).
Lorsqu’on démarre un moteur asynchrone, la chaleur dissipée dans le rotor
pendant la période de démarrage est égale à l’énergie cinétique emmagasinée
dans les parties tournantes.
Lorsqu’on arrête un moteur par inversion, la chaleur dissipée dans le rotor
pendant la période du freinage vaut trois fois l’énergie cinétique qui était
emmagasinée dans les parties tournantes.
b. Freinage par courant continu
On peut arrêter un moteur asynchrone rapidement en faisant circuler un courant
continu dans les enroulements du stator.
 Rotor tourne dans le champ stationnaire
 Induction d’une tension alternative et des pertes joules qui réduisent
l’énergie cinétique
 le moteur s’arrête (une fois toute l’énergie cinétique est dissipée).
Le freinage par courant continue possède l’avantage de dissiper le tiers de
l’énergie requise par la méthode d’inversion.
W
1 2
J
2
W  5.4810-3 Jn 2
7. Moteurs asynchrones fonctionnant comme génératrice
Lorsque le moteur asynchrone commence à tourner à une vitesse supérieure à la
vitesse synchrone, le moteur développe un couple qui s’oppose à l’augmentation
de la vitesse (comme un frein). La puissance mécanique des roues est alors
renvoyée au réseau sous forme d’énergie électrique.
 On peut réaliser une génératrice asynchrone en couplant un simple moteur à
cage d’écureuil à un moteur à explosion (Cf. Figure V-7)
La fréquence générée est : f 
pn
120