LES MOTEURS ASYNCHRONES

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1 Date *************** LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E S201-1 COURS PREAMBULE... 2 Principe de fonctionnement : Création du champ tournant Glissement Constitution : Le rotor à cage d ecureuil : Rotor bobiné (rotor à bagues) : Conséquences d une variation de tension :... 7 Démarrage des moteurs asynchrones Le démarrage direct : Démarrage étoile triangle : Branchement étoile ou triangle Le bobinage... 13

2 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 PREAMBULE Les moteurs asynchrones triphasés à cage comptent parmi les plus utilisés pour l'entraînement des machines. Ces moteurs s'imposent en effet dans un grand nombre d'applications en raison des avantages qu'ils présentent robustesse, simplicité d'entretien, facilité de mise en ouvre, faible coût. Il nous paraît donc indispensable de rappeler les principes de fonctionnement et de construction de ces moteurs, puis de décrire et comparer les principaux dispositifs de démarrage, réglage de vitesse et freinage qui leur sont associés. Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone repose sur la création d'un courant induit dans un conducteur lorsque celui-ci coupe les lignes de force d'un champ magnétique, d'où le nom de "moteur à induction". Supposons une spire ABCD en court-circuit, située dans un champ magnétique B, et mobile autour d'un axe xy. Si nous faisons tourner le champ magnétique dans le sens des aiguilles d'une montre par exemple, la spire est soumise à un flux variable et devient le siège d'une force électromotrice induite qui donne naissance à un courant induit i (loi de Faraday). Le sens du courant dans les conducteurs actifs AB et CD peut être défini en appliquant la règle des trois doigts de la main gauche. Le courant induit circule donc de A vers B dans le conducteur AB, et de C vers D dans le conducteur CD. D'après la loi de Lenz, le sens du courant est tel qu'il s'oppose par son action électromagnétique à la cause qui lui a donné naissance. Chacun des deux conducteurs est donc soumis à une force F, de sens opposé à son déplacement relatif par rapport au champ inducteur. La règle des trois doigts de la main droite (action du champ sur un courant) permet de définir facilement le sens de la force F appliquée à chaque conducteur. Le pouce est placé dans le sens du champ de l'inducteur. L'index indique le sens de laforce. Le majeur est placé dans le sens du courant induit. La spire est donc soumise à un couple qui provoque sa rotation dans le même sens que le champ inducteur, appelé champ tournant.

3 1 Création du champ tournant LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 Trois enroulements, géométriquement décalés de 120, sont alimentés chacun par une des phases d'un réseau triphasé alternatif. Les enroulements sont parcourus par des courants alternatifs présentant le même décalage électrique, et qui produisent chacun un champ magnétique alternatif sinusoïdal. Ce champ, toujours dirigé suivant le même axe, est maximal quand le courant dans l'enroulement est maximal. Le champ généré par chaque enroulement est la résultante de deux champs qui tournent en sens inverse et ayant chacun pour valeur constante la moitié de la valeur du champ maximal. A un instant t1 quelconque de la période, les champs produits par chaque enroulement peuvent être représentés comme suit le champ H1 diminue. Les 2 champs qui le composent ont tendance à s'éloigner de l'axe OH1, le champ H2 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH2. le champ H3 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH3. Le flux correspondant à la phase 3 est négatif. Le champ est donc dirigé dans le sens opposé à la bobine. En superposant les trois diagrammes, nous constatons que : les trois champs tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sont décalés de 120 et s annulent, les trois champs tournant dans le sens des aiguilles d'une montre se superposent. Ces champs s'additionnent pour former le champ tournant d'amplitude constante 3Hmax/2. C'est un champ à une paire de pôles. Ce champ effectue un tour pendant une période du courant d'alimentation. Sa vitesse est fonction de la fréquence du réseau (f), et du nombre de paires de pôles (p). Elle est appelée "vitesse de synchronisme" et s'exprime par la formule Ns 60 f p En tours par minute

4 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 2 Glissement Le couple moteur ne peut exister que si un courant induit circule dans la spire. Il faut pour cela qu'il y ait un mouvement relatif entre les conducteurs actifs et le champ tournant. La spire tourne donc obligatoirement à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme. C'est la raison pour laquelle un moteur électrique fonctionnant suivant le principe que nous venons de décrire est appelé "moteur asynchrone". La différence entre la vitesse de synchronisme et celle de la spire est appelée "glissement" et s'exprime en %. g Ns N Ns x100 Le glissement en régime établi est variable suivant la charge du moteur. Il est plus faible ou plus fort selon que le moteur est en sous charge ou en surcharge. 3 Constitution : Un moteur asynchrone triphasé à cage comporte deux parties principales : Un inducteur, ou stator, Un induit, ou rotor. Le stator C'est la partie fixe du moteur. Une carcasse en fonte ou en alliage léger renferme une couronne de tôles minces (de l'ordre de 0,5 mm d'épaisseur) en acier au silicium. Les tôles sont isolées entre elles par oxydation ou par un vernis isolant. Le "feuilletage" du circuit magnétique réduit les pertes par hystérésis et par courants de Foucault. Les tôles sont munies d'encoches dans lesquelles prennent place les enroulements statoriques destinés à produire le champ tournant (trois enroulements dans le cas d'un moteur triphasé). Chaque enroulement est constitué de plusieurs bobines. Le mode de couplage de ces bobines entre elles définit le nombre de paires de pôles du moteur, donc la vitesse de rotation. Le rotor C'est la partie mobile du moteur. Comme le circuit magnétique du stator, il est constitué d'un empilage de tôles minces isolées entre elles et formant un cylindre claveté sur l'arbre du moteur.

5 4 Le rotor à cage d ecureuil : LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 Rotor à simple cage Dans des trous ou dans des encoches disposées vers l'extérieur du cylindre sont placés des conducteurs reliés à chaque extrémité par une couronne métallique et sur lesquels vient s'exercer le couple moteur généré par le champ tournant. Pour que le couple soit régulier, les conducteurs sont légèrement inclinés par rapport à l'axe du moteur. L'ensemble a l'aspect d'une cage d'écureuil, d'où le nom de ce type de rotor. Sur les petits moteurs, la cage d'écureuil est entièrement moulée. L'aluminium injecté sous pression est fréquemment utilisé ; les ailettes de refroidissement, coulées lors de la même opération, font masse avec le rotor. Ces moteurs ont un couple de démarrage relativement faible et le courant absorbé lors de la mise sous tension est très supérieur au courant nominal Rotor à double cage Ce type de rotor est le plus utilisé. Il comporte deux cages concentriques, l'une extérieure assez résistante, l'autre intérieure, de résistance plus faible. Au début du démarrage, le flux étant à fréquence élevée, les courants induits s'opposent à sa pénétration dans la cage intérieure. Le couple produit par la cage extérieure résistante est important et l'appel de courant réduit. En fin de démarrage, la fréquence diminue dans le rotor, le passage du flux à travers la cage intérieure est plus facile. Le moteur se comporte alors sensiblement comme s'il était construit avec une seule cage peu résistante.

6 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 En régime établi, la vitesse n'est que très légèrement inférieure à celle du moteur à simple cage. Rotor à cage résistante Le rotor résistant existe surtout en simple cage. En général la cage est fermée par deux anneaux en inox résistant. Certains moteurs sont moto ventilés. Les moteurs à cage résistante ont un moins bon rendement, mais la variation de vitesse peut être obtenue en ne jouant que sur la tension. En outre, ils ont un bon couple de démarrage. 5 Rotor bobiné (rotor à bagues) : Dans des encoches pratiquées à la périphérie du rotor sont logés des enroulements identiques à ceux du stator. Généralement le rotor est triphasé. Une extrémité de chacun des enroulements est reliée à un point commun (couplage étoile). Les extrémités libres peuvent être raccordées sur un coupleur centrifuge ou sur trois bagues en cuivre, isolées et solidaires du rotor. Sur les bagues viennent frotter des balais en graphite raccordés au dispositif de démarrage. En fonction de la valeur des résistances insérées dans le circuit rotorique, ce type de moteur peut développer un couple de démarrage s'élevant jusqu'à 2,5 fois le couple nominal. La pointe de courant au démarrage est sensiblement égale à celle du couple.

7 6 Conséquences d une variation de tension : LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 Vitesse Lors des variations de tension, la vitesse au synchronisme n'est pas modifiée. Mais, sur un moteur en charge, une augmentation de la tension entraîne une diminution du glissement. Ce phénomène est limité par la saturation de la machine. En revanche, si la tension d'alimentation décroît, le moteur tourne plus lentement. Couple Dans un moteur asynchrone, le flux est proportionnel au courant pour une fréquence donnée. La loi d'ohm appliquée à un moteur donne U U = LωI + ri soit I = L r L = constante de fabrication ω = 2πf r négligeable devant Lw quand w est différent de 0 On peut donc écrire : I= U 2 f U = Kf Pour avoir un flux constant, donc un I constant, il faut que le rapport U/f reste constant. Or la valeur du couple de ces moteurs est, pour une fréquence donnée, obtenue par la formule : C = kфi soit Ki². Par conséquent, il est possible de travailler à couple constant tant que U peut être augmentée, c'est-à-dire jusqu'à la tension nominale. Au-delà, il est toujours possible d'augmenter la fréquence, mais, le courant diminuant, le couple diminue. Courant de démarrage Il varie proportionnellement à la tension d'alimentation. Si celle-ci est plus élevée, le courant absorbé au moment du démarrage augmente. Avec un convertisseur de fréquence, le courant de démarrage est faible (entre 1 et 1,5 fois le courant nominal) par rapport aux solutions classiques (6 à 8 fois le courant nominal), tout en développant un couple de démarrage important.

8 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 Vitesse Sur un moteur asynchrone la vitesse de synchronisme est proportionnelle à la fréquence. Cette propriété est souvent utilisée pour faire fonctionner à très grande vitesse des moteurs spécialement conçus pour une alimentation par exemple en 400 Hz (rectifieuses, appareils de laboratoire ou chirurgicaux, etc.). Il est possible également d'obtenir une vitesse variable par réglage de la fréquence, par exemple de 6 à 50 Hz (rouleaux transporteurs, appareils de levage, etc.). Démarrage des moteurs asynchrones Lors de la mise sous tension d'un moteur, l'appel de courant sur le réseau est important et peut, surtout si la section de la ligne d'alimentation est insuffisante, provoquer une chute de tension susceptible d'affecter le fonctionnement des récepteurs. Parfois, cette chute de tension est telle qu'elle est perceptible sur les appareils d'éclairage. Pour remédier à ces inconvénients, les règlements de quelques secteurs interdisent, au-dessus d'une certaine puissance, l'emploi de moteurs démarrant en direct. D'autres se contentent d'imposer, en fonction de la puissance des moteurs, le rapport entre le courant de démarrage et le courant nominal. Le moteur à cage est le seul à pouvoir être couplé directement sur le réseau avec un appareillage simple. Seules les extrémités des enroulements du stator sortent sur la plaque à bornes. Les caractéristiques du rotor ayant été déterminées une fois pour toutes par le constructeur, les divers procédés de démarrage consistent principalement à faire varier la tension aux bornes du stator. Sur ce type de moteur, à fréquence constante, la réduction de la pointe de courant s'accompagne automatiquement d'une forte réduction du couple. 7 Le démarrage direct : C'est le mode de démarrage le plus simple dans lequel le stator est directement couplé sur le réseau. Le moteur démarre sur ses caractéristiques naturelles. Au moment de la mise sous tension, le moteur se comporte comme un transformateur dont le secondaire, constitué par la cage du rotor très peu résistante, est en court-circuit. Le courant induit dans le rotor est important. Les courants primaire et secondaire étant sensiblement proportionnels, il en résulte une pointe de courant importante sur le réseau I démarrage = 5 à 8 I nominal Le couple de démarrage est en moyenne : C démarrage = 0,5 à 1,5 C nominal. Malgré les avantages qu'il présente (simplicité de l'appareillage, couple de démarrage élevé, démarrage rapide, prix faible), le démarrage direct ne peut convenir que dans les cas où : La puissance du moteur est faible par rapport à la puissance du réseau, de manière à limiter les perturbations dues à l'appel de courant, La machine entraînée ne nécessite pas une mise en vitesse progressive et comporte un dispositif mécanique (réducteur par exemple) qui évite un démarrage trop brutal, Le couple de démarrage doit être élevé.

9 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 En revanche, chaque fois que : L appel de courant risque de perturber le bon fonctionnement d'autres appareils branchés sur la même ligne, ceci en raison de la chute de tension qu'il provoque. La machine entraînée ne peut accepter des à-coups mécaniques. Le confort ou la sécurité des utilisateurs sont en cause (cas des escaliers mécaniques par exemple). Il devient nécessaire d'utiliser un artifice pour diminuer l'appel de courant ou le couple de démarrage. Le moyen le plus couramment utilisé consiste à démarrer le moteur sous tension réduite. En effet, une variation de la tension d'alimentation a les conséquences suivantes : le courant de démarrage varie proportionnellement à la tension d'alimentation, le couple de démarrage varie proportionnellement au carré de la tension d'alimentation. Exemple : si la tension est divisée par 3, le courant est sensiblement divisé par 3, et le couple est divisé par 3.

10 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 8 Démarrage étoile triangle : Ce mode de démarrage ne peut être utilisé qu'avec un moteur sur lequel les deux extrémités de chacun des trois enroulements statoriques sont ramenées sur la plaque à bornes. Par ailleurs, le bobinage doit être réalisé de telle sorte que le couplage triangle corresponde à la tension du réseau : par exemple, pour un réseau triphasé 380 V, il faut un moteur bobiné en 380 V triangle et 660 V étoile. Le principe consiste à démarrer le moteur en couplant les enroulements en étoile sous la tension réseau, ce qui revient à diviser la tension nominale du moteur en étoile par 3 (dans l'exemple ci-dessus, la tension réseau 380 V = 660 V / 3). La pointe de courant de démarrage est divisée par 3 : Id = 1,5 à 2,6 In En effet, un moteur 380V/ 660 V couplé en étoile sous sa tension nominale 660 V absorbe un courant 3 fois plus faible qu'en couplage triangle sous 380 V. Le couplage étoile étant effectué sous 380 V, le courant est divisé une nouvelle fois par 3 donc au total par 3. Le couple de démarrage étant proportionnel au carré de la tension d'alimentation, est lui aussi divisé par 3 : Cd = 0,2 à 0,5 Cn

11 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 La vitesse du moteur se stabilise quand les couples moteur et résistant s'équilibrent, généralement entre 75 et 85 % de la vitesse nominale. Les enroulements sont alors couplés en triangle et le moteur rejoint ses caractéristiques naturelles. Le passage du couplage étoile au couplage triangle est commandé par un temporisateur. La fermeture du contacteur triangle s'effectue avec un retard de 30 à 50 millisecondes après l'ouverture du contacteur étoile, ce qui évite un court-circuit entre phases, les deux contacteurs ne pouvant être fermés simultanément. Le courant qui traverse les enroulements est interrompu à l'ouverture du contacteur étoile. Il se rétablit à la fermeture du contacteur triangle. Ce passage en triangle s'accompagne d'une pointe de courant transitoire très brève mais très importante, due à la fcém du moteur. Le démarrage étoile triangle convient aux machines qui ont un faible couple résistant, ou qui démarrent à vide. En raison du régime transitoire au moment du couplage triangle, il peut être nécessaire, au delà d'une certaine puissance, d'utiliser une variante pour limiter ces phénomènes transitoires : Temporisation de 1 à 2 secondes au passage étoile triangle. Cette temporisation permet une diminution de la fcém, donc de la pointe de courant transitoire. Cette variante ne peut être utilisée que si la machine a une inertie suffisante pour éviter un ralentissement trop important pendant la durée de la temporisation. Démarrage en 3 temps : étoile -triangle+résistance- triangle. La coupure subsiste, mais la résistance mise en série pendant trois secondes environ avec les enroulements couplés en triangle réduit la pointe de courant transitoire. démarrage étoile -triangle+ résistance- triangle sans coupure. La résistance est mise en série avec les enroulements immédiatement avant l'ouverture du contacteur étoile. Ceci évite toute interruption de courant, donc l'apparition de phénomènes transitoires.

12 LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 L'utilisation de ces variantes se traduit par la mise en oeuvre de matériel supplémentaire, ce qui peut avoir pour conséquence une augmentation non négligeable du coût de l'installation. L'emploi d'un démarreur statique du type Altistart peut apporter une meilleure solution dans de nombreux cas.nous verrons cela quand la variation de vitesse sera abordée plus tard 9 Branchement étoile ou triangle Il y a deux possibilités de branchement du moteur au réseau électrique triphasé. Le montage en étoile et le montage en triangle. Avec un branchement en étoile, la tension aux bornes de chacune des bobines est d'environ 230V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée avec la tension nominale du réseau (400V). On utilise le montage étoile si un moteur de 230V doit être relié sur un réseau 400V ou pour démarrer un moteur à puissance réduite dans le cas d'une charge avec une forte inertie mécanique.

13 10 Le bobinage LES MOTEURS ASYNCHRONES I.M.S.E-S /13 Les bobines sont logées dans les encoches du stator. S'il y a une paire de pôles magnétique pour chacune des trois phases, la fréquence de synchronisme est alors de 3000 tr/mn. si on augmente le nombre de paires de pôles, il est possible d'obtenir des moteurs avec des fréquences de rotation différentes. 1 paire de pôles => 3000 tr/mn 2 paires de pôles => 1500 tr/m Le branchement des bobines sur le réseau se fait au niveau de la plaque à borne située sur le dessus du moteur. On dispose ainsi de 6 connexions, une pour chacune des extrémités des trois bobines. Les bornes sont reliées aux bobines selon le schéma ci-contre.