Nom : MOTEUR ASYNCHRONE Prénom : Fiche : COURS 2 Elec Date : A classer : B - S0 T ELEEC Gr : Objectif terminal : Connaître, définir et savoir déterminer les grandeurs caractéristiques d'un moteur asynchrone. Domaine : S0.3, Appareils électromagnétiques, moteur asynchrone triphasé et monophasé. 1. ROLE DU MOTEUR ASYNCHRONE Le moteur asynchrone est un convertisseur d'énergie. Energie électrique monophasée ou triphasée Energie mécanique 2. MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE a. Symboles 1
b. Description d'un moteur triphasé Le moteur asynchrone triphasé comporte deux parties essentielles : - Un stator qui constitue la partie fixe du moteur dans laquelle se trouvent les enroulements générateurs du champ magnétique tournant. Le stator possède autant d'enroulements que de phases d'alimentation. Ces enroulements peuvent être couplés soit en étoile, soit en triangle et réalisent une ou plusieurs paires de pôles. - Un rotor qui constitue la partie mobile et tournante du moteur dans laquelle se trouvent des enroulements soit court-circuités entre eux (moteur à rotor en court-circuit ou à cage d'écureuil), soit bobinés en trois enroulements couplés en étoile et pouvant être mis en court-circuit. c. Champs tournant On peut obtenir un champ tournant en alimentant, par un système triphasé de tensions, trois bobines disposées géométriquement à 120 l'une de l'autre. Un conducteur mobile placé dans ce champ tournant, tend à entrer en rotation à une vitesse proche mais inférieure à celle du champ. C'est le principe du moteur asynchrone triphasé. d. Couplages du stator Le choix du couplage se fera en fonction du réseau, en prenant en considération la tension composée (entre phase) et les indications de la plaque signalétique. La valeur indiquée pour le couplage triangle noté, indique la tension supportée par un enroulement du moteur. La première tension correspond au couplage triangle et la seconde au couplage étoile. Par exemple : 230V / 400V Triangle : 230V Etoile : 400V 2
Si la tension maximale admise d'un enroulement est égale à la tension composée du réseau, on couplera les enroulements en triangle (D ou ). De même, lorsque la tension maximale admise par un enroulement est égale à la tension simple du réseau, celui-ci ne pourra bien sur pas être connecté entre deux phases donc les enroulements devront être couplés en étoile (Y). Tableau récapitulatif des couplages d'un moteur asynchrone triphasé : Moteur Réseau 127 / 220V 230 / 400V ( 220 / 380V ) 400 /690V ( 380 / 660V ) 127 / 220V 230 / 400V 400 / 690V Etoile Y Triangle Sous alimenté Y ou Interdit Etoile Y Triangle Interdit Interdit Etoile Y 3
e. Principe de fonctionnement Dès la mise sous tension du moteur, un champ magnétique tournant prend naissance dans les enroulements statoriques, un courant électrique est induit dans le rotor qui va générer son propre champ magnétique. L'ensemble de ces forces crée un couple moteur qui fait tourner le rotor. Le rotor tourne dans le même sens que le champ tournant, mais sa vitesse de rotation appelée aussi fréquence de rotation est nécessairement inférieure à celle du champ tournant. 3. GRANDEURS CARACTERISTIQUES a. Fréquence de synchronisme La fréquence de synchronisme, c'est la vitesse ou la fréquence de rotation du champ tournant. Elle se caractérise par n s et s'exprime en tour par seconde (tr/s). n s = f / p n s Vitesse du champ tournant en tour par seconde (tr/s). f Fréquence du réseau d'alimentation en Hertz (Hz). p Nombre de paires de pôles du stator. Exemples : Pour f = 50 Hz x 60 p n s en tr/s n s en tr/min 1 50 3000 2 25 1500 3 16.6 1000 4 12.5 750 Un moteur tétrapolaire a 2 paires de pôles. Un moteur bipolaire a 1 paire de pôle. 4
b. Vitesse angulaire - A la vitesse de rotation de synchronisme n s correspond la vitesse angulaire de synchronisme Ω s. Ω s = 2. π. n s Ω s = 2. π. f / p d'ou Ω s = ω / p Ω s Vitesse angulaire de synchronisme en radian par seconde (rad/s). n s Fréquence de synchronisme en tour par seconde (tr/s). ω Pulsation du réseau d'alimentation en radian par seconde (rad/s). p Nombre de paire de pôle du moteur. - A la vitesse de rotation du rotor n correspond la vitesse angulaire Ω. Ω = 2. π. n Ω Vitesse angulaire du rotor en radian par seconde (rad/s). n Vitesse de rotation du moteur en tour par seconde (tr/s), c'est la vitesse indiquée sur la plaque signalétique du moteur. La vitesse de rotation se mesure avec un tachymètre. c. Glissement Le glissement, c'est le rapport de l'écart entre la vitesse de synchronisme et la vitesse réelle du rotor. Il est caractérisé par g et n'a pas d'unité. g = n s n = Ω s Ω n s Ω s En général, le glissement est compris entre 0,02 et 0,06 (2 et 6 %). d. Fréquence des courants rotoriques f R =g. f f R Fréquence en Hertz (Hz). 5
4. BILAN DES PUISSANCES EN CHARGE Pfs Pm Pa Ptr Pem Pu Pjs Pjr Stator Rotor Bilan des puissances : Pa = Pu + Pjs + Pfs + Pjr+ Pm a. Puissance absorbée : Pa (Watt) C'est une puissance électrique. Pa = U. I. 3. cos ϕ b. Pertes joule stator : Pjs (Watt) Pertes joule stator R mesurée entre phase Pjs = 3/2. R. I² r par enroulement couplage Y r = R / 2 Pjs = 3. r. I² r par enroulement couplage D r = 3. R / 2 Pjs = 3. r. J² 6
c. Pertes fer stator : Pfs (Watt) Elles comprennent les pertes par Hystérésis (échauffement dû au changement de polarité du champ magnétique dans les tôles) et les pertes par courants de Foucault (échauffement dû aux courants créés dans le circuit magnétique). d. Puissance transmise au rotor : Ptr (Watt) Ptr = Tem. Ω s Ω s Vitesse angulaire de synchronisme en radian par seconde (rad/s). Tem Couple électromagnétique en Newton mètre (Nm). e. Perte joule rotor : Pjr (Watt) Pjr = g. Ptr g Glissement, sans unité. f. Puissance électromagnétique : Pem (Watt) Pem = Tem. Ω Tem Couple électromagnétique en Newton mètre (Nm). Ω Vitesse angulaire du rotor en radian par seconde (rad/s). g. Pertes mécaniques : Pm (Watt) Ce sont les frottements des parties mobiles sur les parties fixes (roulements, coussinets). 7
h. Puissance utile : Pu (Watt) C'est la puissance mécanique, c'est cette puissance qui est indiquée sur la plaque signalétique. Pu = Tu. Ω Ω Vitesse angulaire du rotor en radian par seconde (rad/s). Tu Couple utile en Newton mètre (Nm) Tu = F. l F Force en Newton (N). l longueur en mètre (m). Remarque : La transmission de la puissance du stator au rotor se fait avec une perte de vitesse mais sans diminution du couple. i. Rendement η = Pu = Pa Pjs Pfs Pm Pjr = Pu Pa Pa Pu + Pjs + Pfs + Pm + Pjr Pour simplifier, on peut aussi poser : Pc = Pm + Pfs Pc Pertes collectives (W) 8
5. BILAN DES PUISSANCES A VIDE Pfs Pm Pv Ptr Pu = 0W Pjs Pjr = 0W Stator Rotor Bilan des puissances : Pv = Pu + Pjs + Pfs + Pjr+ Pm donc : Pv = Pjs + Pfs + Pm Pv Puissance absorbée à vide (W) 6. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE a. Symboles 9
b. Principe de fonctionnement : Le rotor d'un moteur asynchrone triphasé tourne sous l'effet d'un champ tournant créé par 3 bobines statoriques alimentées en triphasé. Pour le moteur asynchrone monophasé, il n'y a plus qu'une bobine que l'on divise en 2 éléments répartis de chaque coté du rotor. A la mise sous tension, les champs magnétiques générés par les 2 bobines ne permettent pas le démarrage du moteur car elles sont opposées et ne gênèrent aucun couple au démarrage. Dans ce cas, le moteur vibre mais ne tourne pas. Si on lance le rotor dans un sens, il continue à tourner, le champ qui tourne dans le même sens que le rotor exerce un couple supérieur à l'autre ce qui produit un couple moteur. Bobine principale (stator) Premier élément Rotor Bobine auxiliaire en série avec une capacité Bobine principale (stator) Second élément Pour démarrer un moteur asynchrone monophasé, il faut ajouter un condensateur en série avec une troisième bobine appelée auxiliaire intercalée entre les bobines principales qui créé un champ magnétique décalé de π/2 par rapport au premier qui produira le déséquilibre nécessaire au démarrage. Lorsque le moteur a atteint sa vitesse de rotation nominale, un interrupteur centrifuge déconnecte le condensateur et la bobine auxiliaire devenus inutiles. 10
c. Exemple de câblage d'un moteur asynchrone monophasé : A la place de ce dispositif de démarrage, on peut aussi trouver une spire de frager placée dans le circuit magnétique, ce dispositif n'est utilisé que pour les moteurs de faible puissance (P<200W). 11