Cours - Electricite - Moteur Asynchrone - Terminale Sti

Terminale STI Moteur asynchrone

20/3/1999 Claude Divoux, 1999 1/11

Moteur asynchrone triphas

1. Constitution et principe de fonctionnement

1.1. Stator = inducteur

Il est constitu de trois enroulements (bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasset possde p paires de ples.

Champ tournant

Les courants alternatifs dans le stator crent un champ magntique r B 1 tournant la pulsation de

synchronisme :

Ws =wp

S : vitesse synchrone de rotation du champ tournant en rad.s-1.

w : pulsation des courants alternatifs en rad.s-1. w = 2.p.f

p : nombre de paires de ples.

1.2. Rotor = induit

Le rotor nest reli aucune alimentation. Il tourne la vitesse de rotation .

Rotor cage dcureuilIl est constitu de barres conductrices trs souventen aluminium. Les extrmits de ces barres sontrunies par deux couronnes galement conductrices.On dit que le rotor est en court-circuit.Sa rsistance lectrique est trs faible.

Schma de principe dune cage dcureuil


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1.3. Rotor bobin

Les tles de ce rotor sont munies dencoches o sontplacs des conducteurs formant des bobinages.On peut accder ces bobinages par lintermdiaire detrois bagues et trois balais. Ce dispositif permet de modifierles proprits lectromcaniques du moteur.

1.4. Courants induits

Des courants induits circulent dans le rotor.

1.5. Entrefer

Lentrefer est lespace entre le stator et le rotor.

1.6. Glissement

Le rotor tourne la vitesse plus petite que la vitesse de synchronisme s.On dit que le rotor "glisse" par rapport au champ tournant.Ce glissement g va dpendre de la charge.

g = ns - nns

=Ws - W

Ws

ns : vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant (tr.s-1).

n : vitesse de rotation du rotor (trs.s-1).

S = 2pnS (rad.s-1) et = 2pn (rad.s-1)

2. Symboles

3. Caractristiques

3.1. Fonctionnement videA vide le moteur nentrane pas de charge.

Consquence : le gilssement est nul est le moteur tourne la vitesse de synchronisme.

A vide": g = 0 et donc n0 = nS

Autres observations :- le facteur de puissance vide est trs faible (


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3.2. Fonctionnement en chargeLe moteur fournit maintenant de la puissance active, le stator appelle un courant actif.

Remarque : le moteur asynchrone est capable de dmarrer en charge.

3.3. Caractristique mcanique Tu = f(n)

3.4. Modlisation de la partie utile de la courbeOn veut dterminer lquation de la droite qui modlise la partie utile de la caractristiquemcanique.

Il faut deux points": - 1er point vident": A1nS0

- 2e point": il faut un essai de la machine A2n2T2

Equation dune droite": y = a.x + b soit Tu = a.n + b

Coefficient directeur (pente)": a = y2 - y1x2 - x1

soit a = T2 - 0n2 - nS

aest grand (droite presque verticale) et a est ngatif.

Ordonne lorigine : point A1 0 = a.nS + b soit b = -a.nSRemarque!: le point A2 peut aussi tre fourni par les informations figurant sur la plaquesignaltique de la machine (couple nominal Tn et vitesse nominale nn).

3.5. Caractristique mcanique en fonction du glissement

3.5.1. Changement daxeLaxe des abscisses de la caractristique mcanique peut tre reprsent par le glissementEn effet": n = nS fi g =

nS - nnS

= 0

n = nS / 2 fi g = 0, 5n = 0 fi g = 1


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Laxe en n et laxe en g sont inverss.

Do la mme caractristique avec laxe en g.

Cette fois ci le modle est une droite passantpar lorigine, donc dquation":

y = k.x soit Tu = k.g

Finalement :Au voisinage du point de fonctionnement nominal, le couple utile est proportionnel auglissement.

Tu = k.g k est une constante de proportionnalit (coefficient directeur) en N.m.

3.5.2. Relation entre a et kAu paragraphe 3.4, nous avons vu que": Tu = a.n + b avec b = -a.nSCe qui donne": Tu = a.n - a.nS = -a(nS - n)

En remarquant que": g = ns - nns

soit nS - n = nS .g

On obtient": Tu = -a.nS.g = k.g avec k = -a.nS

3.6. Rsum des caractristiques A vide, le courant est non ngligeable, mais la puissance absorbe est surtout ractive (Q) ; le couple et le courant de dmarrage sont importants ; lintensit du courant absorbe augmente avec le glissement ; la machine asynchrone peut dmarrer en charge.

On retiendra que :

la vitesse du champ tournant est": ns =fp

(f la frquence du courant et p le nombre de paires de ples)";

le glissement est le rapport entre la vitesse du champ et celle du rotor": g = ns - nns

";

vide g = 0 et n0 = nS ; quelle que soit la charge la vitesse de rotation varie trs peu (n nS) ; en fonctionnement nominal le moment du couple utile est proportionnel au glissement Tu = k.g


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4. Dmarrage du moteurNous venons de dire que le courant de dmarrage est trs important (4 8 fois In). Pour ne pasdtriorer le moteur, il convient de rduire cet appel de courant.

Il existe deux procds : - utilisation de rsistances de dmarrage ;- dmarrage sous tension rduite.

Nous allons voir deux solutions pour dmarrer sous tension rduite.

4.1. Dmarrage toile - triangle

Cette mthode consiste diminuer, le temps du dmarrage, la tension dalimentation.

Montage toile :la tension aux bornesdun enroulement estplus faible que latension entre phase durseau.U = U / 3

Montage triangle :

U = U

La tension aux bornes dun enroulement est plus faible en toile quen triangle.

4.2. Dmarrage par auto-transformateur

On augmente progressivement la tension aux bornes des phases du moteur laide dun auto-transformateur triphas.

5. Bilan des puissances

5.1. Puissance lectrique absorbe : Pa

Pa = 3UIcosjU : tension entre deux bornes du moteurI : courant en ligne

5.2. Pertes par effet joule au stator : pjs

pjs =32

RI2 R : rsistance entre deux bornes du stator


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5.3. Pertes fer au stator : pfs

Elles ne dpendent que de la tension U et de la frquence f et sont donc constantes si le moteurest coupl au rseau.

5.4. Puissance transmise : Ptr

Ptr = Pa - pjs - pfs Cest la puissance que reoit le rotor.

5.5. Moment du couple lectromagntique : Tem

Les forces qui sexercent sur les conducteurs du rotor tournent la vitesse S : elles glissent surle rotor qui, lui, ne tourne qu la vitesse .Laction de lensemble des forces lectromagntiques se rduit un couple lectromagntiquersultant de moment Tem.

Tem =PtrWS

Tem (N.m)

Ptr (W)

S (rad.s-1)

5.6. Puissance mcanique totale : PM

Le couple lectromagntique de moment Tem entrane le rotor la vitesse . Il lui communiquedonc la puissance mcanique totale PM.

PM = TemW soit PM = TemW = PtrW

WS= Ptr(1- g)

PM = Ptr(1 - g) Cette puissance comprend la puissance utile et les pertes mcaniques.

5.7. Pertes par effet joule et pertes dans le fer au rotor : pjr et pfr

Ces pertes reprsentent la diffrence entre Ptr et PM. Elles sont dues aux courants induits.Elles ne sont pas mesurables car le rotor est court-circuit. On les calcule.Donc : pjr + pfr = Ptr - PM = Ptr - Ptr(1 - g) = gPtr

pjr gPtr Les pertes fer du rotor sont ngligeables.

5.8. Pertes mcaniques : pm

pm = Pu - PM La vitesse de rotation variant peu en marche normale, ces pertes sontpratiquement constantes.


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5.9. Pertes !collectives! : pcCes pertes ne dpendent que de U, f et n. Comme ces grandeurs sont gnralement constantes,les pertes fer au stator et les pertes mcaniques le sont aussi.pc = pfs + pmOn dfinit le couple de perte":

Tp =pcWS

Le couple de perte est une grandeur constante quelle que soit la vitesseet la charge de la machine

5.10. Puissance utile : Pu

Puissance utile :

Couple utile :

Rendement :

Pu = PM - pm

Tu =PuW

h =PuPa

5.11. Bilan des puissances vide

Le bilan total, quelque soit la situation, est":

Pa = Pu + pjs + p jr + pcA vide":

Tu = 0 fi Pu = 0

g = 0 fi p jr = 0 (voir 3.7)

Pa0 = 3UI0 cosj0

pjs0 =32 RI0

2

pc vide pc en chargeBilan" vide":

Pa0 = pjs0 + pc

En simplifiant":

Pa0 pc (les pertes joules vide sont ngligeables)Un essai vide permettra de dterminer les pertes collectives.

6. Point de fonctionnement du moteur en charge

Cest le point dintersection descaractristiques T = f(n) du moteur et de lacharge.

Tu : couple utile du moteurTr : couple rsistant

La courbe du couple rsistant dpend de lacharge.

6.1 Mthode de rsolution graphique


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Tracer lchelle sur du papier millimtr les deux caractristiques et relever les coordonnes dupoint dintersection.

6.2 Mthode de rsolution par le calcul

Il faut rsoudre": Tu = Tr soit": a.n + b = Tr

Exemple!: cas dune charge ayant un couple rsistant proportionnel au carr de la vitesse.Tr = c.n

2

Tu = Tr fi a.n + b = c.n2

Finalement, il faut rsoudre une quation du second degr":

c.n2 - a.n - b = 0Une solution sur les deux trouves sera la bonne.

7. Branchement du moteur sur le rseau triphas

Il nest pas toujours possible de brancher un moteur asynchrone en toile ou en triangle.

Exemple :- sur une plaque signaltique dun moteur on lit : 380 / 220- le rseau est en 220 / 380 VDe la plaque signaltique on dduit que la tension nominale dune phase du moteur est de220"V.Si on branche ce moteur en triangle, la tension au borne dune phase sera de 380 V ce qui esttrop lev.

U = 380 VU = 380 / 3 = 220 V

Ce montage est possible

U = 380 VU = U = 380 V

Ce montage nest paspossible

Conclusion : ce moteur peut tre brancher uniquement en toile sur le rseau 220"/"380"V

Remarque : il sagit en fait dun vieux moteur. Actuellement tous les moteurs supportent 380Vpar phase. Ils supportent mme souvent 400 V et 415 V, car le rseau EDF volueprogressivement vers ces tensions.


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Exemple dune plaquesignaltique dunmoteur asynchrone :

8. Moteur asynchrone monophas

En monophas le moteur peut tourner dans un sens oulautre. De ce fait il a galement du mal dmarrer toutseul. Il faut prvoir un dispositif supplmentaire qui luipermettra de dmarrer tout seul dans un sens dtermin.Il sagit souvent dun enroulement ou de spiresauxiliaires.

Exemple : moteur spires de Frager.

9. Utilisation du moteur asynchrone

Le moteur asynchrone triphas, dont la puissance varie de quelques centaines de watts plusieurs mgawatts est le plus utilis de tous les moteurs lectriques. Son rapportcot/puissance est le plus faible.Associs des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuventfonctionner vitesse variable dans un large domaine (les derniers TGV, le Tram deStrasbourg,"...).Toutefois lemploi de ce type de moteur est vit en trs forte puissance (P">"10"MW) car laconsommation de puissance ractive est alors un handicap.

Remarques : en lectromnager (exemple : lave-linge) la vitesse des moteurs asynchrones nestpas rgle par un onduleur, mais ces moteurs possdent plusieurs bobinages. Il est alorspossible de changer le nombre de paires de ples et donc la vitesse.

10. Rglage de la vitesse dun moteur asynchrone

La vitesse de synchronisme nS dpend de la frquence fS des courants statoriques.Et comme la vitesse n reste trs proche de la vitesse de synchronisme, pour varier la vitesse dumoteur il faut en fait varier la frquence fS .En ralit pour faire varier la vitesse sans modifier le couple utile il faut garder le rapport Vs

fsconstant (VS est la tension dalimentation dun enroulement).Si on augmente la vitesse, il faut augmenter la frquence et la tension dalimentation dans leslimites du bon fonctionnement de la machine.


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On obtient le rseau de caractristiques. Lazone utile est lensemble des segments dedroites parallles. Sur le plan technique, celapermet un trs bon rglage de la vitesse.

Un moteur asynchrone pouvant fonctionner sous 220V / 50Hz nest pas sous-aliment si, laide dun onduleur, on ne lui applique quune tension de 110V 25Hz. Il peut ainsidvelopper, vitesse rduite, le mme couple maximal que celui quil peut fournir vitesseleve.

11. Rversibilit

Toutes les machines tournantes sont rversibles. Dans le cas de la machine asynchrone, tantdonn que son rotor nest pas excit, elle ne peut tre autonome. Mais elle est rversible dans lesens o elle peut fournir de la puissance au rseau en fonctionnant en charge.

12. Vocabulaireasynchronechamp tournantsynchronecage dcureuilrotor bobin

courants induitsglissementcourant ractif ou magntisantdmarrage toile - triangledmarrage statorique

dmarrage rotoriquepuissance transmisepuissance mcanique totalepertes constantes

13. Complment : caractristiques T=f(n) de quelques charges

Le dmarrage dun systme (charge) par un moteur ne peut avoir lieu que si chaque instant lecouple moteur est suprieur au couple rsistant plus linertie du systme.

Machine puissanceconstante (enrouleuse,compresseur, essoreuse)

Machine coupleconstant (levage,pompe)


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Machine coupleproportionnel lavitesse (pompevolumtrique,mlangeur)

Machine coupleproportionnel au carrde la vitesse (ventilateur)

14. Bibliographie et origine de certaines illustrationswPhysique Applique, terminale lectrotechnique - collection R. Mrat et R. Moreau - ditionNathan technique 1994.Electrosystme, premire STI - H. Ney - dition Nathan technique 1996.Physique applique, terminale gnie lectrotechnique - Delva, Leclercq, Trannoy - ditionHachette ducation 1994.

Documents

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