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Machines courant alternatif ESA2/2005-2006

CHAPITRE 2 :

MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE

Le moteur asynchrone reprsente 80 !es moteurs utiliss in!ustriellement"tant !onn leur simplicit !e construction et leur facilit !e !marra#e$%&autre part puissance #ale" c&est le moteur le moins cher$ 'l nencessite pas !e source !e tension particuli(re puis)u&il fonctionne sousla tension rseau$Les moteurs asynchrones aliments !irectement par le rseau sont les

moteurs les plus rpan!us *- +entilateurs" e,tracteurs !&air- compresseurs- pompes !e circulation !e flui!es- con+oyeurs" tapis roulants" escalators- ascenseurs" treuils" palans- machines-outils pour la mcani)ue perceuse" tour" fraiseuse"

rectifieuse" etc$. et pour la menuiserie scie circulaire"!#auchisseuse" raoteuse" toupie" etc$.

- royeurs" mala,eurs" mlan#eurs- etc$

i1ola esla" 3# !e 26 ans" ima#ina et construisit les premiers prototypes

!e son moteur in!uction polyphas en 4882$ en roatie en 4856" !e parents seres" esla tait alors en rance"in#nieur la 7ontinental E!ison7 o il tait char# !e la rparation et!e l&amlioration !es #nratrices courant continu !es centraleslectri)ues$

Moteur asynchrone ca#e Moteur asynchrone a#ues

999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999h2 * Moteurs asynchrones triphass pa#e * 4/26

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A/Principe de fonctionnement :

1/Decription !"n"r#$e :

Mote%r & c#!e :

Mote%r & '#!%e :

:ne machine asynchrone comporte !eu, armatures * :n stator )ui contient trois oines r#uli(rement places et

parcourues par un syst(me !e courants triphas )uilir$ ;est$(ind%cte%r!e la machine$

:n rotor form !;un anneau !e t

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Le rotor oin a#ues * il est form !e trois oinescouples en toile et !ont les ornes sont sorties +ers troisa#ues sur les)uelles frottent trois alais constituant lesconne,ions e,trieures$

Le rotor ca#e ou ca#e !;cureuil * form !;un ensemle !econ!ucteurs courcircuits au, e,trmits par !eu, anneau,con!ucteurs$

2/ Prod%ction de c)#mp to%rn#nt t#tori*%e :

999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999h2 * Moteurs asynchrones triphass pa#e * >/26

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Y

X

N

S

P h 3 P h 3 P h 3

A i m a n t p e r m a n e n t e n

r o t a t i o n B o b i n a g e t r i p h a s

N s

:n champ ma#nti)ue tournant peut ?tre pro!uit en faisant tourner un aimantpermanent mont sur un a,e et susceptiles !e tourner autour$

Sur les moteurs asynchrones triphass" le champ tournant est pro!uit par

trois oina#es fi,es )ui sont !cals !e 420et parcourus par !es courantalternatifs prsentant le m?me !cala#e$ Les trois champs alternatifs)u;ils pro!uisent se composent pour former un champ tournant !;amplitu!econstante$

C# d(%ne m#c)ine 'ipo$#ire +de%, p-$e. :

=n consi!(re trois oines i!enti)ues !cales !e 420@ !ans l;espace$Lors)u;une oine est parcourue par un courant i" elle cre !ans l;entreferespace !e l;air sparant le fer et le fer. un champ ma#nti)ue !erpartition spatiale sinuso!ale$

La oine 44; est parcourue par le

courant wtIi cosmax1 =

La oine 22; est parcourue par le

courant )3

2cos(

max2

= wtIi

La oine >>; est parcourue par le

courant )3

4cos(max3

= wtIi

La oine 44; cre en M un champ cos.cosmax1 wtKIH =

La oine 22; cre en M un champ )3

2cos().

3

2cos(max2

= wtKIH

La oine >>; cre en M un champ )3

4cos().

3

4cos(max3

= wtKIH

Le champ rsultant )cos(.2

3max321 =++= wtIKHHHH

;est un c)#mp to%rn#nt & $# itee 0et )ui poss(!e %ne p#ire de p-$e * Bour fi,e C poss(!e une pulsation D

Bour t fi,e C poss(!e une prio!e an#ulaire !e >60@ 2 p

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A =0t " le courant i4 est positif" les courants i2 et i> sont n#atifs$A =60t " le courant i> est n#atif" les courants i2 et i4 sont positifsFetc G ce )ui !onne les rpartitions sui+antes *

:0=t :60=t

:120=t :180=t

C# d(%ne m#c)ine m%$tipo$#ire +2p p-$e. :

=n !ispose >p oines con+enalement rparties au stator *

B oines en srie" parcourues par le courant i4$ B oines en srie" parcourues par le courant i2 !cales !e 420@$


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B oines en srie" parcourues par le courant i2 !cales !e 20@$

E,emp$e : p2

'l faut alors 6p encoches * 42 encoches pour pH2 p;;Le !eu,i(me #roupe !e oines Secon!e paire !e p;>;;;

La oine 4 cre en M un champ cos.cosmax1 wtKIH =

La oine 2 cre en M un champ )3

2cos().

3

2cos(max2

pwtKIH

=

La oine > cre en M un champ )3

4cos().

3

4cos(max2

pwtKIH

=

Le champ rsultant *

)(cos.23)cos(.

23

maxmax321 ==++= tp

pIKpwtIKHHHH

;est un champ tournant p paires !e p

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Le rotorest un cylin!re en fer comportant en priphrie !es con!ucteurs enaluminium" mouls sous pression !ans !es canau, parall(les l&a,e etrelis entre eu, par !es anneau, mouls en m?me mtal au, !eu, e,trmits!u rotor$ et ensemle con!ucteur en aluminium est appel la c#!e &"c%re%i$$'l n&y a aucun contact lectri)ue entre le rotor et l&e,trieur$

Le stator est aliment par un syst(me !e tensions triphas )uilir !e

pulsation D$ :n champ tournant la +itesse !e synchronismep

s

=

p *nomre !e paires !e p

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La +itesse !e synchronisme est !onne par *

pp

xNs

30006050== G p * nomre !e paires !e p

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Bour faciliter l;tu!e" on transforme ce schma pour se ramener unfonctionnement fr)uences i!enti)ues *

1V

1I 1l1r 2l

g

r2

2I

1n

2n

=n a!opte finalement le schma )ui+alent ramen au primaire *

1V

1I

1l1r 2

2

m

l

2

2

.mg

rF

RmX

La rsistanceF

R matrialise les pertes fer au stator G les pertes fer au

rotor sont n#li#eales$

2/

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En n#li#eant les pertes mcani)ues" la puissance utile par phase sera

!onne par * )1(2

2

2 gIg

rPPP

Jau ==

Le fonctionnement nominal correspon! un #lissement faile" on pourra

alors consi!rer )ue * 2

11

2

2

2

IrIg

r

inalement * gP

P

a

u= 1

ette formule reste appro,imati+e$ La lecture !e celle laisse conclure )uepour au#menter le ren!ement !e la machine" le moteur asynchrone !oitfonctionner faile #lissement$

5/ 6e co%p$e :

=n sait )ue * )1(3 2

22 gIgrPu = G on n#li#e les pertes constantesBertes

er et Bertes mcani)ues.$

Le couple utile est !onn par *

pg

gIg

r

PC uu

)1(

)1(3 2

22

=

=

A partir !u schma )ui+alent par phase et en n#li#eant les pertes la

rsistance et ractance au stator *

2

2

22

2

2

11

)()(m

l

gm

r

VI

+

= a+ec

1

2

n

nm =

Sachant )ue21 mII = on !!uit 2

2

22

2

1

22

2

)()( lg

r

VmI

+

=

inalement *2

1222

2

2

2

2

23V

glr

gr

p

mC

u +

=

Le couple !e !marra#e est !onn par#H4. *2

122

2

2

2

2

23V

lr

gr

p

mCd

+=

Le couple !e !marra#e est relati+ement faile: 1 & foi $e co%p$enomin#$=


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Le couple ma,imal a pour +aleur * 2

2

1

2

max2

3

l

V

p

mC =

correspon!ant un

#lissement

2

2max

l

rg =

La coure ouple+itesse. prsent !eu, ranches *l;une stale lors)uecPPs et l;autre instale lors)ue 0PPc$

:n cas intressant serait !e !marrer couple ma,imal !Hma,$ ette

situation est ralise lors)ue #ma,H4 c&est--!ire 22 lr = $

/ 6e co%r#nt t#tori*%e :

'l est !onn par *2

2

22

2

2

11

)()(

m

l

gm

r

VI

+

= $

ette une fonction croissante !e # et !croissante !e $


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NI

I

SN

N

0 0 . 2 0 . 0 . ! "

"

2

3

#

$

% g i m e n o m i n a &

Le courant !e !marra#e !;un moteur asynchrone ca#e est !;en+iron > foile courant nominal !u moteur inscrit sur la pla)ue si#nalti)ue.$ Ainsi lemoteur !e+ra pren!re rapi!ement !e la +itesse pour +iter un chauffemente,cessif$

>/ Co%p$#!e de $# p$#*%e & 'orne :


Co%p$#!e "toi$e Co%p$#!e tri#n!$e

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Le choi, !u coupla#e set fonction !u rseau !;alimentation tension simple/tension compose. et !u moteur !ans l;in!ication 220/>80Q" la +aleur 220Qcorrespon! la tension ma,imale supporte par un enroulement.$

M o t e u r

R s e a u " 2 ! ' 2 2 0 ( 2 2 0 ' 3 ) 0 ( 3 ) 0 ' $ $ 0 (

" 2 ! ' 2 2 0 (

2 2 0 ' 3 ) 0 (

3 ) 0 ' $ $ 0 (

E T O I L E T R I A N G L E

T R I A N G L EE T O I L E

E T O I L E

I M P O S S I B L E

I M P O S S I B L E

I M P O S S I B L E I M P O S S I B L E

?/ P$#*%e i!n#$"ti*%e :

La pla)ue si#nalti)ue spcifie les +aleurs !u point !e fonctionnement

nominal point pour le)uel le moteur fonctionne normalement.$=n trou+e sur la pla)ue si#nalti)ue !u moteur !iffrentes informations *

@/ 6e co%r#nt nomin#$:

Le courant nominal !u moteur" ou courant nominal" !pen! !e la puissanceapparente fournie au moteur et !e la tension !;alimentation$ La puissanceapparente est fonction !u facteur !e puissance ainsi )ue !u ren!ement !umoteur$ Le courant nominal nous est !onn par l;Error* Reference source notfoun!$

3=U

SInom

'nomH courant nominal !u moteur" en amp(res S H puissance apparente" en QA : H tension !;alimentation" en +olts

E,emp$e :

999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999h2 * Moteurs asynchrones triphass pa#e * 4>/26

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:n moteur ca#e !;cureuil !e 40T est aliment a+ec une source triphase!e >80 +olts$ Le ren!ement !u moteur est !e 85 et le facteur !e puissanceest !e O0$ %termine le courant nominal !u moteur$

So$%tion:

La puissance acti+e fournie au stator !pen! !e la puissance mcani)ue et!u ren!ement*

BeH Bmc/n H 40 T/0$85 H 44$K6 T

La puissance apparente !pen! !e la puissance acti+e et !u facteur !epuissance*

S H Be/cos H 44$K6 T/0$O H 4> QA

'nomH S / ELU> H 4> QA/>80QU> H 4O"K8 A

C/ D"m#rr#!e d(%n mote%r #4nc)rone:

1/ Contr#inte de d"m#rr#!e :

:n on !marra#e !oit faire en sorte )ue *

Le courant !e !marra#e soit le plus faile possile$ Le couple !e !marra#e soit le plus fort possile pour r!uire le r#ime

transitoire !e !marra#e$

* + "

* + 2

* + 3C r

C o u p l e

V i t e s s e

:1d

C %marra#e impossile

:2dC %marra#e lent

:3d

C %marra#e rapi!e

=n !istin#ue !onc !eu, types !e !marra#es * elui )ui consiste r!uire le courant appel en r!uisant la tension

statori)ue$ elui )ui consiste au#menter le couple !e !marra#e en a#issant sur la

rsistance rotori)ue$

2/ D"m#rr#!e t#tori*%e :e type !e !marra#e consiste r!uire la tension !;alimentation au!marra#e afin !e r!uire le courant !e !marra#e *

2

2

22

2

2

1

)()(m

l

m

r

VId

+

=

Vuatre mtho!es sont utilises pour r!uire la tension !;alimentation !ustator*

%marra#e toile-trian#leG %marra#e par rsistance en srie a+ec le statorG %marra#e par auto-transformateurG %marra#e par #ra!ateur lectroni)ue$


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#/ D"m#rr#!e "toi$e tri#n!$e :

e !marra#e ne peut s;appli)uer )u;au, moteurs !ont les !eu, e,trmits!es trois enroulements !u stator sont !isponiles$ Le coupla#e trian#le!oit correspon!re la tension rseauG pour un rseau >80Q" il faut unmoteur >80Q trian#le/660Q toile$

Le proc! consiste faire !marrer le moteur en connectant sesenroulements en toile* ceu,-ci se trou+ent aliments sous une tension#ale la tension rseau !i+ise par >$ Le courant est alors !iminu !ansla m?me proportion" tan!is )ue le couple !e !marra#e est #al au tiers !ucouple pour un !marra#e !irect$ Apr(s un !lai r#lale selon la char#e"les enroulements sont coupls en trian#le" et le moteur reNoint sescaractristi)ues naturelles$

Le !marra#e toile-trian#le con+ient !onc ien au, machines !marrant +i!e ou couple rsistant faile$

Circ%it de comm#nde et de p%i#nce :


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,"

,3

,2

S"

*ontact +u

sectionneur

-isoncteur

/3

S2 /2

/"

/"/3

/2/3/"

/2

F2

1"

12

/"/3/2

1"

F2

Au !marra#e" les contacteurs M4 et M2 se ferment$ Le moteur !marre encoupla#e toile$ Apr(s un temps r#lale par un !ispositif !etemporisation" le contacteur M4 s;ou+re et le contacteur M> se ferme" le

moteur est alors coupl en trian#le$La temporisation haituelle est !e K 20 secon!esG ce )ui correspon!"en+iron" K5 !e la +itesse nominale$

C)oi, de compo#nte:

V4 H sectionneur tripolaire" calire ' moteurG 2 H calire 'moteur />.G M4 H contacteur tripolaire" calire 'moteur/>.G M2 et M> H contacteur tripolaire 'moteur/>.$

'/ D"m#rr#!e p#r "$imin#tion de r"it#nce t#tori*%e:

Le proc! consiste insrer" !ans chacune !es phases !u moteur" lors !u!marra#e" une ou plusieurs rsistances$ Vuan! le moteur a atteint en+iron80 !e sa +itesse nominale" les rsistances sont court-circuites et lestator est aliment par la pleine tension !u rseau$

Le !marra#e statori)ue rsistances con+ient ien pour faire !marrer !esmachines couple croissant comme les +entilateurs" les pompes" ainsi )ue!es machine forte inertie$


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;onctionnement:

Apr(s une impulsion sur S2" le relais M4 est alimentG celui-ci alimentele relais thermi)ue 2 )ui se !clenche au out !e 2 > !marra#esconscutifs$

Apr(s une temporisation entre K 20 secon!es" le relais M44 est aliment"il +ient court-circuiter les rsistances !e !marra#e et !sacti+er le

relais thermi)ue 2$ :n arr?t est pro!uit a+ec une impulsion sur S4$

C)oi, de compo#nt:

V4 H sectionneur tripolaire" calire 'n moteurG 2 H relais thermi)ue" 'n moteurG M4 et M44 H contacteur tripolaire" calire 'nmoteurG R:" RQ" RT H rsistance !e !marra#e" R H 0"005 :./ 'n

moteur$ : H tension !u rseauG


999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999h2 * Moteurs asynchrones triphass pa#e * 4K/26

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, "

, 3

, 2

0 / "

0 / "

0 / " "

S 2

S "

N

1 "

1 2

F "

/3

1 "

% % ( %

0 / "

F 2

F 2

0 / " "

0 / "

c/ D"m#rr#!e p#r #%totr#nform#te%r:

Le moteur est aliment sous tension r!uite par l;interm!iaire !;un autotransformateur" le)uel est mis hors circuit lors)ue le !marra#e esttermin$

A+ec ce !ispositif" le moteur n;est Namais spar !u rseau !;alimentationGle courant n;est plus interrompu et les phnom(nes transitoires sontsupprims$

e mo!e !e !marra#e est surtout utilis pour les moteurs !e #ran!epuissance$ Bar rapport au !marra#e statori)ue rsistances" il permet!;otenir un couple plus le+ a+ec une pointe !e courant plus faile$L;auto transformateur poss(!e plusieurs prises afin !;aNuster la tension !e

!marra#e en fonction !e la machine entraIne$


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;onctionnement d% circ%it de p%i#nce:

la fermeture !e M4 H coupla#e toile !e l;auto transformateurG la fermeture !e M2 H alimentation !e l;auto transformateur et

!marra#e !u moteurG l;ou+erture !e M4 H limination !u coupla#e toileG la fermeture !e M> H alimentation !irecte !u moteurG l;ou+erture !e M2 H limination !e l;auto transformateur$

999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999h2 * Moteurs asynchrones triphass pa#e * 4O/26

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C)oi, de compo#nt:

V4 H sectionneur tripolaire" calire 'n moteurG 2 H relais thermi)ue" 'n moteurG M4" M2 et M> H contacteur tripolaire" calire 'n moteur$

/ D"m#rr#!e rotori*%e :

e type !e !marra#e n;et possile )ue pour un moteur rotor oin$ 'lconsiste insrer momentanment a+ec cha)ue oine rotori)ue unersistance pen!ant la phase !e !marra#e$=n repren! les rsultats +us prc!emment *

2

2

1

2

max2

3

l

V

p

mC =

" in!pen!ant !e r2pour2

2

maxl

rg = )ui au#mente a+ec r2$

2

122

2

2

2

2

23V

lr

gr

p

mCd

+=

)ui au#mente a+ec r2$

2r

2'r 2r

dC'

dC

maxC

C o u p l e

V i t e s s e

=n +oit )ue l;au#mentation !e la rsistance rotori)ue fait au#menter lecouple !e !marra#e$ 'l faut noter aussi )ue son au#mentation fait !iminuerle courant !e !marra#e$

Le calcul !e la rsistance insre !ans cha)ue phase permet !e !terminer

!e faWon ri#oureuse la coure couple-+itesse $ Bour un couple !onn" la+itesse est !;autant plus asse )ue la rsistance est le+e$ 'l en rsulte)ue celle-ci !oit ?tre insre en totalit au moment !u !marra#e" et )uela pleine +itesse est atteinte lors)u;elle est enti(rement court-circuite$

e type !e !marra#e est e,tr?mement souple" car il est facile !;aNuster lenomre et l;allure !es coures reprsentant les temps successifs au,impratif mcani)ues ou lectri)ues$


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, "

, 3

, 2

0 / "

0 A "

S 2

S "

N

1 "

1 2

F "

1 "

0 / "

F "

F 2

0 / " "

0 A "

F 2

0 / " 2

/

3

% 2 A

% " A

% 2 B % 2 *

0 / " "

% " *% " B

0 / " 2

0 / " 2

0 / " "

0 / "

0 A "

/ D"m#rr#!e rotori*%e de mote%r & c#!e:

#/ Mote%r & c#!e r"itie :=n utilise !ans la ca#e rotori)ue !es arres con!uctrices !e fortersistance afin !;au#menter le couple !e !marra#e et !iminuer le courant!e !marra#e$L;incon+nient est )u;en r#ime permanent" le #lissement est plus importantce )ui correspon! un faile ren!ement$

'/ Mote%r & do%'$e c#!e :La ca#e e,terne est plus 7 rsisti+e 7 laiton." la ca#e interne prsenteune in!uctance plus le+e$ Au !marra#e" le moteur se comporte comme untransformateur * la fr)uence !es courants rotori)ues est le+e 50C.$ Lecourant circule essentiellement !ans la ca#e e,terne" car l;imp!ance !e laca#e interne LT. est plus le+e$ Au fur et mesure )ue la +itesse !umoteur au#mente" la fr)uence !es courants rotori)ues !iminue" le courantcircule pro#ressi+ement !ans la ca#e interne moins rsisti+e G ce )ui!iminue le #lissement !ans le r#ime permanent$


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c/ Mote%r & c#!e profonde :=n e,ploite l;effet !e peau )ui fait )ue le courant circule !ans uncon!ucteur sur une paisseur !;autant plus faile )ue la fr)uence estle+e$

4 o n e + e c o n + u c t i o n5 p e a u 6

4 o n e n o n e 7 p & o i t e

C o n d u c t e u r t r a v e r s

p a r u n c o u r a n t H F

Lors !u !marra#e" les courants rotori)ues sont refouls +ers la priphrie!es arres !u rotor * la rsistance 7 utile 7 !u rotor est !onc au#mente$La profon!eur !e pntration !u courant !ans les arres est !onne par larelation *

Diff"rente ection de '#rre rotori*%e %ti$i"e:

D/ ;rein#!e d(%n mote%r #4nc)rone:

1/ Principe :Le freina#e s;a+(re ncessaire !ans les applications )ui ncessitent unarr?t imm!iat * ascenseurs" en#ins !e le+a#eF Le freina#e peut ?tre

mcani)ue en utilisant !es or#anes e,ternes la machine * lectro freins m3choires" saotsF 'l peut ?tre lectri)ue en utilisant l;un !es proc!ssui+ants *


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2/ ;rein#!e p#r contre co%r#nt :ette mtho!e consiste in+erser le sens !u champ tournant statori)ue encroisant !eu, phases$ 'l se !+eloppe sur le rotor un couple in+erse !efreina#e$ 'l s;a+(re ncessaire !e couper l;alimentation !u moteur a+ant)u;il chan#e !e sens !e rotation en utilisant un proc! !e !tection!;arr?t interrupteur centrifu#eF.$

Lors !u freina#e" il y a ou+erture !e M4 puis fermeture !e M2 * le moteurest aliment par un champ statori)ue in+erse$ Les pointes !e courant sonttr(s importantes et il est conseill !;insrer un Neu !e rsistances pourlimiter ce courant$ Le contacteur M2 !oit s;ou+rir !(s l;arr?t !u moteur$

/ ;rein#!e p#r inection de co%r#nt contin% :e freina#e consiste inNecter un courant continu !ans le stator$ Le rotortouNours en rotation +oit un champ statori)ue fi,e$ 'l naIt !onc au rotorun couple rsistant oppos la rotation !u rotor$ A l;arr?t !u moteur" lecourant continu est coup$Au moment !u freina#e" M4 s;ou+re puis M2 se ferme$ :n courant continuest en+oy !ans le stator$ Le moteur se comporte comme un alternateur !ontl;in!ucteur est constitu par le stator" l;in!uit par le rotor en court -circuit$

999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999h2 * Moteurs asynchrones triphass pa#e * 2>/26

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5/ ;rein#!e "$ectrom#!n"ti*%e:

Le moteur est muni !;un frein lectroma#nti)ue !is)ue mont !u c

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ANNEBE

Co%p$#!e de mote%r trip)#" mono itee :

Co%p$#!e de mote%r trip)#" 'iitee :

De%, enro%$ement "p#r" Y/Y :

De%, enro%$ement "p#r" D/D :


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Co%p$#!e D#)$#nder D/Y +po%r co%p$e cont#nt. :

Co%p$#!e D#)$#nder Y/YY +po%r co%p$e *%#dr#ti*%e. :

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