Chapitre 5 : Moteur asynchrone

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1 Chapitre 5 : Moteur asynchrone Introduction I / constitution du moteur asynchrone triphasé. 1. Stator ou inducteur 2. rotor ou induit 3. Symboles 4. plaque signalétique II / Principe de fonctionnement 1. principe 2. glissement a) définition b) exercices III / Caractéristique du moteur asynchrone 1. étude à vide 2. étude en charge 3. caractéristique mécanique : T u =f(n) 4. caractéristique I=f(n) 5. conclusions IV / Puissances et rendement 1. puissance absorbée 2. puissance utile 3. pertes joules au stator : P Js 4. pertes fer statoriques : P Fe 5. puissance transmise : P trans 6. puissance disponible au rotor : P r 7. pertes joule au rotor P Jr 8. pertes mécaniques 9. Bilan 10. rendement 11. détermination des pertes constantes M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 1

2 Introduction le moteur asynchrone est un convertisseur d énergie électro-mécanique. Energie électrique Moteur asynchrone Energie mécanique pertes c est le moteur le plus utilisé car le plus robuste, le plus facile à construire et donc le moins coûteux des moteurs électriques. On retrouve le moteur asynchrone monophasé dans les machines à laver, les compresseurs de frigo On retrouve le moteur asynchrone triphasé dans les machines outils et le TGV. I / Constitution du moteur asynchrone triphasé 1. Stator ou inducteur Il est identique à celui d une machine synchrone : trois conducteurs, placés dans les encoches du stator, forment trois enroulements qui sont alimentés par un réseau triphasé de fréquence f. Il se crée donc un champ magnétique tournant à la fréquence de synchronisme n S : 2. rotor ou induit Il existe deux types de rotor, rotor à cage d écureuil et rotor bobiné, dans les deux cas, on a : des conducteurs court-circuités 3. Symboles n S = f p n S : en tr.s -1 f en Hz p :nombre de paire de pôles M 3~ M 3~ Moteur à rotor bobiné Moteur à rotor à cage M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 2

3 4. plaque signalétique Type du moteur Tension composée nominale pour un couplage triangle Tension composée nominale pour un couplage étoile Fréquence du réseau d alimentation Rotor court-circuité 220V / 380V 4,9A / 2,8A 50Hz 1,2kW n Puissance mécanique utile du moteur Intensité du courant nominal en ligne du stator pour un couplage triangle Intensité du courant nominal en ligne du stator pour un couplage étoile Vitesse nominale du moteur II / Principe de fonctionnement 1. principe Le stator alimenté par un réseau triphasé équilibré de fréquence f. crée, dans l entrefer, un champ magnétique tournant à Ω S =2πf/p (Ω S en rad.s -1, f en Hz) Sous l effet de ce champ tournant, des fém induites dans les conducteurs du rotor. Comme ces conducteurs sont en court-circuit, ils sont parcourus par des courants induits (ou courants de Foucault). D après la loi de Lenz, les courants induits s opposent à la cause qui leur ont donné naissance, donc ce rotor se met à tourner à la vitesse Ω < Ω S On dit que le rotor glisse à la vitesse Ω par rapport au champ tournant. M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 3

4 2. glissement a) définition on définit le glissement g par la relation : g = Ω S - Ω Ω S = n S - n n S Avec Ω S = 2πn S et Ω = 2πn ( Ω en rad/s et n en tr.min -1 ) on l exprime généralement en pourcentage. Ordre de grandeur : en fonctionnement normal, le glissement est de l ordre de 2 à 6 % b) exercices 1/ la plaque signalétique d un moteur asynchrone indique : 50Hz ; 1440 tr/min 4% - calculer le glissement pour le régime nominal. 13% - calculer le glissement quand la vitesse du moteur est 1300tr/min. 2/ les valeurs du glissement g=0 et g=1 correspondent à quelles valeurs de vitesse n de rotation du moteur? III Caractéristique du moteur asynchrone 1. étude à vide alimenté par le réseau 380V ;50Hz ; le moteur n entraîne pas de charge. On mesure -l intensité de ligne I 0 =1,6A -la puissance absorbée P 0 =256W -la fréquence de rotation n 0 =1500tr/min P on calcule le facteur de puissance : cosϕ 0 = = = 0,18 U.I ,6. 3 Dans ce fonctionnement, le rotor tourne pratiquement au synchronisme : g 0 =0 M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 4

5 2. étude en charge Le stator est toujours alimenté par le réseau 380V ; 50 Hz On augmente la charge qu entraine le moteur. On constate : intensité du courant absorbé I augmente f p augmente. Fréquence de rotation diminue ( de 5%) 3. caractéristique mécanique : T u =f(n) le moteur est alimenté par le réseau 380V ; 50Hz W MAS 3 ~ n ;T u Frein à poudre N Pour U = U N ; relever I ; T u ; n pour une quinzaine de I ( I 0 à 1,5 I N ) I T u n Tracer T u =f(n) T u =f(n) T umax T un T ud n N n S n M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 5

6 On a un T u, important au démarrage, qui présente un max T umax, qui varie quasi linéairement au voisinage du nominal. T u = a n + b avec pente : a= -3.2 et b = 3200 En effet à vide n = n S et T u = 0 au nominal n=n N et T u =T un donc Tu = -3.2 n or g= (n S n ) / n S donc n = n S ( 1- g ) d où T u = -3.2 n S (1-g) = 3200 g on a donc T u = k g 4. caractéristique I=f(n) Tracer I=f(n) I (A) g n l intensité du courant (non négligeable à vide) augmente avec le glissement (et donc avec le moment du couple résistant). Rq : Très fort appel de courant au démarrage. M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 6

7 5. conclusions sa fréquence de rotation varie peu moment de son couple utile est proportionnel au glissement I augmente avec g IV / Puissances et rendement Stator Rotor P js P jr P a P transmise P u P FeS Pertes méca 1. puissance absorbée P a = 3.Uicosφ 2. puissance utile P u = T u.ω T u en N.m, Ω en rad.s -1 Ω = 2πn/60 3. pertes joules au stator : P Js P js =(3/2).R m.i² où R m : résistance mesurée entre les 2 bornes de phases du stator couplé. M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 7

8 4. pertes fer statoriques : P Fe pertes fer ne dépendent que de U et f donc, ici, constantes 5. puissance transmise : P trans P trans =P a P js P FeS c est la puissance transmise au rotor cette puissance est transmise par le champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme Ω S. il lui correspond un couple, dit électromagnétique, T em tel que : P trans = T em.ω S 6. puissance disponible au rotor : P r Le rotor reçoit le couple électromagnétique T em et tourne à la vitesse Ω donc P r =T em.ω Or T em =P trans /Ω S donc P r =P trans.ω/ω S = (P trans.ω S (1-g))/Ω S D où P r = (1-g).P trans Donc P r < P trans à cause des pertes joules rotoriques 7. pertes joule au rotor P jr P jr = P trans P r = P trans (1-g)P trans Donc P jr =g.p trans 8. pertes mécaniques les pertes mécaniques ne dépendent que de la vitesse de rotation qui reste sensiblement la même. Donc : pertes méca sont pratiquement constantes. M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 8

9 9. Bilan P js =(3/2).R m.i² P jr P a = 3.Uicosφ P transmise = T em.ω S P r = T em.ω P u = T u.ω P FeS Pertes méca 10. rendement P u P u P u η= = = P a P u + P jr + P js + P FeS + P méca P u + P jr + P js + P constantes 11. détermination des pertes constantes P c = Pertes méca + P FeS On détermine P c par un essai à vide sous tension et fréquence nominales. Alors on mesure P 0 et I 0 On calcule P js0 = (3/2).R m.i 0 ² n=n s donc g=0 donc P jr =0 et finalement P 0 = P js0 + Pertes méca + P FeS = P js0 + P c d où P c = P 0 - P js0 on a souvent Pertes méca = P FeS = P c /2 M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 9

10 docs élève M. Dedieu ; Lycée J.Perrin (95) 10

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