ELE1409 Électricité du bâtiment. Travail pratique 3. LE MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ (Version mars 2015) THÉORIE DE BASE

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1 ELE1409 Électricité du bâtiment Travail pratique 3 LE MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ (Version mars 2015) THÉORIE DE BASE 3.1. GÉNÉRALITÉS SUR LES MACHINES ÉLÉCTRIQUES La figure 2.1 montre un schéma simplifié d une machine électrique. La partie fixe de la machine, le stator, est séparée de la partie tournante, le rotor, par un espace libre, l entrefer. 3.1 Machine électrique tournante ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 1/10

2 Le rotor est monté sur un arbre supporté par des paliers à roulement. L arbre est couplé à la charge mécanique entraînée, dans le cas d un moteur, à l aide d engrenages, de courroies ou tout autre dispositif de couplage mécanique. Le stator et le rotor portent respectivement les enroulements statorique et rotorique. Les courants qui circulent dans ces enroulements entraînent l apparition des champs magnétiques statorique et rotorique dont l interaction génère le couple qui met en rotation le rotor et la charge qui lui est couplée. La principale caractéristique du moteur asynchrone triphasé se trouve dans le fait que seuls les enroulements du stator sont alimentés par une source de tension triphasée. Le courant dans les conducteurs en court-circuit du rotor est produit par induction électromagnétique. On peut donc considérer le moteur asynchrone comme un transformateur dont le secondaire tourne et dans lequel l énergie électrique est convertie en énergie mécanique CONSTITUTION DU MOTEUR ASYNCHRONE La simplicité relative de sa construction et sa robustesse expliquent le succès du moteur asynchrone triphasé qui est le moteur le plus largement utilisé Le stator Le stator, une des parties du circuit magnétique de la machine, consiste en un empilage de tôles d acier électrotechnique avec les qualités magnétiques requises pour limiter les pertes dans le noyau magnétique (pertes par courants induits ou de Foucault et pertes par hystérésis). Il a la forme d un cylindre vide comme le montre la figure Circuit magnétique d un stator Les tôles comportent à leur périphérie intérieur des encoches dans lesquelles sont placés, à 120 o l un de l autre les enroulements isolés d un bobinage triphasé. Ces enroulements peuvent se raccorder en étoile ou en triangle (figure 3.3). 3.3 Type de connexion des enroulements rotoriques et statoriques ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 2/10

3 Le rotor Le rotor est constitué d une pile de tôles formant un cylindre plein; ces tôles comportent à leur périphérie extérieure des encoches destinées à recevoir les conducteurs isolés. Selon que leurs enroulements du rotor sont accessibles de l extérieur ou sont fermés sur eux-mêmes en permanence, le rotor prend deux formes : le rotor bobiné et le rotor à cage d écureuil (figure 3.4).qui est le plus répandu Dans les rotors à cage d écureuil, les encoches renferment des barres en aluminium réunies entre elles de part et d autre du rotor par des anneaux (figure 3.4). Les cages d écureuil des moteurs de faible et de moyenne puissance sont en général en aluminium coulé sous pression. Le coulage permet d obtenir en une seule opération les barres, les anneaux de court-circuit de chaque extrémité et parfois même les ailettes servant à la ventilation. 3.4 Barres et anneaux d un moteur asynchrone à cage d écureuil 3.3. FONCTIONNEMENT DU MOTEUR ASYNCHRONE Le champ tournant Le bobinage du stator, adéquatement disposé, est alimenté par une source triphasée équilibrée, il en résulte un champ magnétique tournant qui induit à son tour une tension et un courant dans les conducteurs en court-circuit du rotor. L interaction de ce courant induit et du champ tournant produit une force (un couple) qui entraîne le rotor dans le même sens que le champ tournant. La figure 3.5 montre le système de courants circulant dans les phases du stator. Chaque phase est représentée par un seul enroulement. Ainsi, les deux enroulements connectés en série entre la ligne a et le neutre représentent le bobinage entier de la phase a dont l axe du champ magnétique est dirigé à la verticale, vers le haut ou vers le bas, selon le sens du courant. De la même façon, l axe du champ de la phase b est tourné, dans l espace, de 120 o par rapport à celui de la phase a; l axe du champ de la phase c est tourné de 120 o par rapport à celui de la phase b. 3.5 Représentation schématique d un moteur triphasé à deux pôles Le vecteur phaseur du flux résultant correspond à la somme vectorielle des vecteurs phaseurs des flux produits par les trois enroulements. On démontre que la valeur maximale de ce flux ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 3/10

4 résultant est égale à 1,5 fois la valeur maximale du flux créé par le courant d un des trois enroulements. La figure 3.6 décrit la situation pour des instants particuliers. L étude de toute autre situation intermédiaire permettrait de constater que le flux résultant est toujours de même amplitude et se déplace d un angle correspondant à l angle ou à un sous multiple de l angle de déplacement de l onde électrique, suivant le nombre d enroulements par phase ou le nombre de paire de pôles par phase. La rangée supérieure de la figure 3.6 montre un champ tournant bipolaire d une machine à deux pôles (par phase). 3.6 Champ tournant dans une machine triphasée a) à deux pôles ; b) à quatre pôles La rangée inférieure montre le déplacement d un champ magnétique résultant pour une machine à quatre pôles La vitesse synchrone La vitesse constante à laquelle le flux tourne s appelle la vitesse synchrone ns. L analyse de la figure 3.6 montre que n S 60 f 120 f p /2 p où: ns = vitesse synchrone en tours par minute (r/min) f = fréquence en hertz du réseau d alimentation (Hz) p = nombre de pôles (toujours pair) ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 4/10

5 De cette relation, pour f = 60 Hz, on peut tirer le tableau suivant, donnant la valeur de la vitesse synchrone en fonction du nombre de pôles: p ns (r/mn) Le glissement Dans un moteur asynchrone à rotor calé, les conducteurs du rotor sont coupés par le champ tournant à un taux correspondant à la fréquence d alimentation. La tension et les courants induits dans ces conducteurs ont la même fréquence que l alimentation. Le rotor libéré tourne dans le même sens que le champ tournant. Cependant, à mesure que le rotor accélère, se conducteurs coupent le champ tournant à un taux décroissant, ce qui entraîne une réduction de la grandeur et la fréquence de la tension induite au rotor. La valeur de la vitesse de rotation n du rotor ne peut pas atteindre celle de la vitesse du champ tournant auquel cas il n y aurait ni courants induits dans les conducteurs du rotor ni couple développé. La vitesse de rotation du rotor est toujours inférieure à celle du champ tournant. La différence entre la vitesse synchrone et la vitesse de rotation du champ, relativement à la vitesse synchrone est appelé le glissement s, s pour slip en langue anglaise. ns n s n S pu.. ns n s 100 % n S Le glissement à la vitesse de synchronisme est s = 0 et le glissement à l arrêt est s = 1. Le glissement, à pleine charge, est de l ordre de 0,5% pour les gros moteurs (1000 kw et plus) et de 3% pour les petits moteurs (10kW et moins). Si on considère que E2 comme la valeur efficace de la tension induite à rotor calé, f1 comme la fréquence de l alimentation et s comme le glissement en p.u., alors la tension induite dans le rotor à n importe quelle condition de charge peut s exprimer par s E2 et la fréquence dans la même condition par s f Le couple On peut montrer que le couple développé par le moteur peut être exprimé de la manière suivante: KsE R C R sx Où: K = constante de construction = flux résultant R2 = résistance équivalente totale des conducteurs du circuit rotorique X2 = réactance équivalente totale des conducteurs du circuit rotorique ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 5/10

6 La figure 3.7 représente la principale relation du moteur, la relation couple-vitesse ou coupleglissement (exprimé en p.u.). 3.7 Relation couple-glissement (p.u.) ou couple-vitesse La courbe de la figure 3.7 est à toute fin pratique linéaire pour des glissements en p.u. compris entre 0 et une valeur légèrement supérieure à celle du glissement correspondant à la charge nominale. En effet, pour des petites valeurs de s, s 2 (X2) 2 << (R2) 2 et l expression du couple devient: KsE R KsE R C K' s R s X R Le facteur de proportionnalité K peut être déterminé à partie des valeurs du couple et du glissement en régime nominal de fonctionnement: C K ' s nominal nominal Dans la figure 3.7, le couple de décrochage représente le couple maximal que peut développer la machine et le couple de démarrage représente le couple développé au démarrage c est à dire à l arrêt du moteur. Le couple nominal représente le couple développé à pleine charge ou à charge nominale La plaque signalétique La plaque signalétique d un moteur asynchrone triphasé fournit les renseignements suivants: a) la puissance mécanique en horse-power (hp) ou en kilowatts (1 hp = 746 W), b) la tension nominale de ligne, c) le courant de ligne, d) la vitesse à charge nominale, e) la fréquence, f) l élévation de température. La figure 3.8 montre un exemple de plaque signalétique. ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 6/10

7 Moteurs As-Tri 25 hp, 3, 220 V 66 A, 855 r/min 60 Hz, 50 o C 3.8 Plaque signalétique d un moteur asynchrone triphasé À partir de l information tirée de la plaque signalétique, d autres paramètres peuvent être calculés. En se basant sur l exemple de la plaque signalétique donnée plus haut, il est facile de déterminer les grandeurs suivantes : Vitesse synchrone: d après le tableau de la page 5 et sachant que les glissements nominaux sont faibles et que n< ns, alors ns=900 r/min Nombre de pôles: d après le tableau de la page 5 et la valeur de ns, alors p=8 Glissement: d après l expression du glissement, la valeur de n et celle de ns, alors s=0,05=5 % Couple nominal: C nom P Pméc, nom 746 nom Nm 2 / /60 nom n nom Le rendement La figure 3.9 donne un schéma simplifié des puissances fournies, reçues et perdues. 3.9 Cheminement de la puissance réelle dans un moteur asynchrone triphasé Le rendement d un moteur asynchrone triphasé est donné par l expression suivante: Pmécanique pertes 1 Pélectrique Pentrée Pmécanique C 2 n 60 Pélectrique 3El Il cos cos facteur de puissance du moteur ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 7/10

8 Opération à vitesse variable Depuis quelques années, l utilisation des moteurs asynchrones à vitesse variable est devenue courante dans les industries. La seule manière de faire varier leur vitesse de façon continue et appréciable consiste à faire varier la fréquence de la source d alimentation. Une diminution de la fréquence entraîne une diminution proportionnelle de la vitesse. Par contre, pour éviter la saturation du noyau, il faut varier la tension suivant le même rapport que la fréquence. La vitesse peut augmenter ou diminuer. Toutefois, si la fréquence est supérieure à la fréquence nominale, il est déconseillé d augmenter la tension proportionnellement. Les pertes magnétiques deviendraient alors trop importantes; Il y aurait aussi risque de soumettre l isolation à des contraintes excessives qui pourraient entraîner la destruction du moteur. On limite donc la tension à la tension nominale du moteur, De la même façon on ne doit jamais faire circuler des courants plus importants que les courants nominaux. E E l l nom si f fnom cte f fnom si f f E E nom l l nom La figure 3.10 montre ce qu il advient de la caractéristique couple-vitesse lorsque la machine est alimentée à fréquence variable comme défini précédemment Caractéristiques couple-vitesse d un moteur alimenté à diverse fréquences On note que le couple de décrochage demeure le même à des vitesses inférieures à la vitesse nominale. On peut montrer que le glissement absolu pour une charge donnée (dans la zone linéaire de la caractéristique couple-vitesse) reste constant, c'est-à-dire n n n cte S Par contre, si le moteur doit opérer à des vitesses supérieures à la vitesse nominale, le couple disponible diminue. Dans cette région, la tension et le courant étant fixes, la puissance mécanique devient indépendante de la vitesse. Puisque la puissance mécanique augmente et que la vitesse augmente, le couple utile doit nécessairement diminuer. Dans l industrie, des sources électroniques appelés onduleurs fournissent l alimentation requise à fréquence et tension variable, dont le principe est montré sur la figure Habituellement, on peut ajuster la vitesse entre un faible pourcentage et 150 % de la vitesse nominale Certains problèmes peuvent cependant apparaître lorsqu on utilise un moteur à vitesse variable. À faible vitesse, la ventilation devient insuffisante. À vitesses élevées, il faut surveiller les roulements, leur lubrification, les vibrations mécaniques et le niveau du bruit audible. De plus, la tension produite par les onduleurs n est pas parfaitement sinusoïdale, ce qui cause des pertes ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 8/10

9 additionnelles et un couple pulsatoire, avec comme obligation de déclasser le moteur (R.-P. Bouchard, G. Olivier, Électrotechnique, les Éditions de l'école Polytechnique, 1999) Configuration générale d une commande à fréquence variable 3.4. MESURE AVEC LA MÉTHODE DES DEUX WATTMÈTRES Les analyseurs de puissance sont montés, selon la méthode des deux wattmètres, sur les phases A et C, la phase B servant de référence (voir figure 2.8). En plus de mesurer les courants de ligne fournis par la source (Ia et Ic) et les tensions de ligne à la source (Eab et Ecb), les deux appareils permettent de déterminer les puissances triphasées réelle (fournie par la source), réactive (fournie ou absorbée par la source) et apparente (au niveau de la source) et le facteur de puissance vu par la source. A Analyseur de puissance A Hi A Lo Hi V Lo B Charge triphasée (moteur) C Hi A Lo Source triphasée à 230 V (tension de ligne) Hi V Lo Analyseur de puissance C 3.11 Méthode des deux wattmètres Le calcul des puissances et du facteur de puissance se fait à partir des indications en puissance (Pa et Pc) des deux appareils. Puissance réelle : Soient El, la valeur efficace de la tension de ligne au niveau de la source, Il, la valeur efficace du courant fourni par la source, cos, le facteur de puissance vu par la source et Pa et Pc, les ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 9/10

10 indications des wattmètres placés au niveau de la source triphasée, respectivement sur les phases A et C. La phase b servant de référence. La puissance triphasée réelle fournie par la source est P Pa Pc 3ElIl cos W Puissance réactive : La puissance réactive réelle fournie ou absorbée par la source est : Q 3 Pc Pa 3ElIlsin var Facteur de puissance : Le facteur de puissance vu par la source est : a 1Q 1 3 Pc P Fp cos costan cos tan P Pa P c Remarque : À cause du déphasage de 30 o entre la tension de ligne et la tension de phase, la valeur du facteur de puissance lue sur l analyseur de puissance se trouve faussée et, par conséquent, ne saurait être retenue. Puissance apparente : La puissance apparente triphasée à la source est : 2 2 S P Q 3E l I l VA Remarque : À cause toujours du déphasage de 30 o entre la tension de ligne et la tension de phase, la puissance apparente totale n est pas la somme des deux valeurs de puissance apparente lues sur les deux instruments. ELE1409-H15-TP3-THÉORIE 10/10