Machine asynchrone complet

Machine asynchrone

Formateurs : Roger PERUZZO Gérard BENAICHE

I-Principe et constitution des machines asynchrones

1. Définition

Le moteur asynchrone à cage ou MAS est la machine tournante la plus utilisée en France, 14 millions de moteurs basse tension, de 0.15kw à 1MW, sont installées.

Le moteur asynchrone à cage est une machine robuste, économique à l’achat et nécessitant peu de maintenance.

Le moteur asynchrone convertit l’énergie électrique en énergie mécanique grâce à des phénomènes électromagnétiques.

La puissance électrique qu’il reçoit est appelée puissance absorbée. La puissance mécanique qu’il fournit est appelée puissance utile.

2. Constitution

La machine asynchrone est constituée de deux éléments principaux :

Le stator : constitué de trois enroulements (bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasés et possède p paires de pôles ("nombre de bobinage triphasé au sein dans le stator")

Le rotor : Partie tournante du moteur. Le rotor peut être constitué par un bobinage triphasé, mais, le plus souvent, Il est constitué d’une masse métallique dont de l’aluminium pour l’alléger. On parle alors de rotor à cage d’écureuil.

3. Stator

Le stator est constitué de bobinages qui créent un champ magnétique tournant.

3.1. Principes de magnétisme

Un bobinage électromagnétique est constitué d’une bobine contenant plusieurs spires et d’un matériau ferromagnétique placé en son centre.

On appelle un spire un circuit fermé parcouru par un courant électrique.

Plaque signalétique

• Si on fait passer un courant électrique constant dans la bobine, un champ magnétique fixe

Apparait en son centre. Le matériau ferromagnétique canalise ce champ magnétique. Le bobinage électromagnétique se comporte comme un aimant avec un pôle nord et un pôle sud. Le sens et la nature des pôles dépendent du sens de circulant du courant.

La norme du champ depend de l’intensité du courant I.

Lorsqu’un courant variable traverse la bobine, le champ magnétique créé est également variable en valeur et en direction.

3.2. Création du champ tournant

Pour créer un champ tournant, on utilise 3 bobinages placés géographiquement à 120° les uns des autres. Chaque enroulement est alimenté par une des phases du réseau triphasé.

Axe du champ magnétique crée par le bobinage 1

3.3. Vitesse de synchronisme

Le champ tournant par les 3 bobinages peut être modélisé par la rotation de 2 pôles (1 nord et 1 sud).

La fréquence de rotation du champ tournant est appelée vitesse de synchronisme. Elle se note Ns et s’exprime en tour par seconde

3.4. Influence nombre de pôles

La vitesse de synchronisme dépend de la fréquence f du réseau d’alimentions et du nombre de paires de pôles P du champ tournant. Le nombre de pôles peut être modifier en alimentant plusieurs bobines par phase.

Démarrage d’un moteur asynchrone

Elle se détermine par la loi : Ns = f/p

Vitesse de synchronisme pour un réseau 50 Hz

Plus le nombre de paires de pôles est élevé, plus le rotor tourne lentement.

4. Rotor

Démarrage d’un moteur asynchrone

Le rotor d’un moteur asynchrone est constitué d’une cage comprenant des barreaux conducteurs reliés de chaque côté par des anneaux. À cause de sa forme, le rotor d’un moteur asynchrone est dit « à cage d’écureuil ».

4.1. Principes de magnétisme

Un conducteur soumis à un champ variable produit une tension induite à ses bornes.

• Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique , est soumis à une force Laplace.

4.2. Influence du champ tournant sur le rotor à cage d’écureuil

Lorsque le champ magnétique tournant est présent, chaque barre de la cage d’écureuil est soumise à un champ variable.

Le barre produit une tension induite à ses bornes. Comme les barres sont en court-circuit, un courant induit circule. Une force de Laplace s’applique sur chacune des barres. Le moteur tourne.

4.4. Glissement

Pour qu’il y’ait création des forces de Laplace, le rotor doit tourner à une vitesse inférieure à celle du champ tournant. Le glissement g est la grandeur sans unité qui quantifie cette différence de vitesse.

vitesse de rotation du rotor

g s’exprime en %

vitesse de synchronisme

En fonctionnement normal, le rotor tourne toujours moins vite que la vitesse de synchronisme d’où le nom de moteur asynchrone. Le glissement nominal est de l’ordre de quelques pourcents

II-Caractéristique des machines asynchrones

Pour mettre en service un moteur asynchrone triphasé à cage, il faut alimenter les enroulements du stator.

1.1. Plaque à bornes

Les enroulements du stator sont connectés sur la plaque à bornes de la machine.

1.2. Couplage

Les enroulements peuvent être couplés en étoile ou en triangle selon :

• La tension du réseau
• La tension supportée par les enroulements du moteur.

Le choix du couplage s’effectue d’apres la plaque signalétique du moteur. Suivant la tension entre phases du réseau , le constructeur indique le couple à effectuer.

Les caractéristique nominales (fonctionnement à 100%) sont indiquées sur la meme ligne que le couplage.

2. Caractéristique mécanique et caractéristique électrique

Un moteur asynchrone convertit l’énergie électrique en énergie mécanique

Energie électrique

Grandeur d’entrée : la puissance absorbée Pa, le courant absorbe I, le facteur de puissance cos φ

Energie mécanique

Grandeur de sortie : la puissance utile Pu, le couple T, la vitesse N

2.1. Notion de couple

On appelle couple une action mécanique qui tend à mettre un solide en rotation.

2.2. Caractéristique mécanique et caractéristique électrique

Les allures des caractéristiques mécanique (T=f(N)) et électrique (I=f(N)) des moteurs asynchrones, relevées à tension et fréquence nominales constantes sont les suivantes.

Les points caractéristiques :

• Au démarrage (N=0), le moteur asynchrone fournit un couple de démarrage Td compris entre 1 ,5 et 2,4 x Tn et absorbe un courant de démarrage Id fort compris entre 4 et 7 x In.

• En fonctionnement normal , le moteur absorbe son intensité nominale In, fournit son couple nominal Tn et tourne à la vitesse nominale Nn. Le fonctionnement nominal correspond aux indications présentes sur la plaque signalétique.

• Le moteur asynchrone produit un champ tournant à la vitesse de synchronisme Ns . Le moteur n’atteint jamais ce point. Lorsqu’il est à vide (sans charge), il s’en approche.

3. Point de fonctionnement

Un moteur asynchrone est destiné à entrainer une charge, conformément au cahier des charges. La charge s’oppose au mouvement créé par le moteur.

3.1. Notion de couple résistant

Le couple résistant est l’action mécanique qu’oppose une charge à la rotation d’un moteur.

3.2. Association moteur-charge : point de fonctionnement

Le point de fonctionnement détermine le couple, la vitesse de rotation et l’intensité absorbée par le moteur. Il est défini par le point d’intersection entre la courbe du couple utile moteur Tu=f(N) et la courbe du couple résistant Tr=f(N)

Interprétation

• De A à B, le couple moteur est supérieur au couple résistant. Le moteur entraine la charge en accélérant.

Après, le couple résistant est supérieur au couple moteur. La charge ralentit le moteur.

Le point de fonctionnement correspond au point d’équipement de l’association moteur-charge. Il n’est pas forcement égal au point nominal.

Si la charge varie, le point de fonctionnement se déplace sur la caractéristique mécanique.

4. Bilan des puissances

Le moteur asynchrone triphasé absorbe une puissance électrique et fournit une puissance mécanique.

La puissance utile est toujours inferieure à la puissance absorbée à cause des différentes pertes internes du moteur.

4.1. Identification des puissances et des pertes internes

5. MESURES

5.1. Mesure de la puissance absorbée Pa

C’est la mesure de la puissance électrique absorbée par le moteur.

5.2. Mesure de la puissance utile Pu

Pour déterminer Pu, il faut mesurer la vitesse de rotation N du moteur et le couple utile Tu fourni par le moteur. Pu se calcule avec la formule Pu=Tu × Ω avec Ω=2π/60 et N min -1.

La mesure de la vitesse s’effectue avec un tachymètre.

La mesure du couple s’effectue avec couplemètre industriel utilisant des jauges de contrainte associée à une électronique de traitement.

5.3. Rendement

A l’aide des mesures de Pa et Pu , le rendement du moteur asynchrone est :

6. Réversibilité de la machine asynchrone

La machine asynchrone est réversible : elle peut fonctionner en moteur mais également en génératrice. Dans ce cas, elle transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Pour réaliser cette transformation, elle doit être au-delà de sa vitesse de synchronisme.

Quadrants de fonctionnement : les caractéristiques mécaniques des machines tournantes sont représentées dans un plan T= f(N). Les quadrants définis dans ce plan permettent de caractériser le fonctionnement de la machine.

Variation de vitesse des moteurs asynchrones.

1. Démarrage progressif des machines asynchrones

1.1. Principe

Un moteur asynchrone alimente sous sa tension et sa fréquence nominales produit un couple qui varie en fonction de la vitesse. Lorsque le moteur a fini sn démarrage, sa vitesse est fixe et correspond au point de fonctionnement.

Si on alimente un moteur asynchrone à fréquence nominale, sous une tension inferieure à sa tension nominale, on constate que les caractéristiques mécaniques et électriques sont atténuées.

Le couple T est proportionnel au carré de la tension d’alimentation : T=K1×U² avec K1=constante

Le courant I est proportionnel à la tension d’alimentation : U=K2×I avec K2 = constante .

Pour une tension quelconque : Td=Tdd× (U/Un)² Id=Idd× (U/Un)

1.2. Démarreurs progressifs

Les démarreurs progressifs permettent de faire varier la tension efficace aux bornes du moteur (tout en conservant une fréquence constante) grâce à une électronique de puissance intégrée.

Constitution d’un démarreur de progressif

Chaque phase d’alimentation est pilotée par 2 thyristors montés tête-bêche avec parfois un contact by-pass en parallèle.

Lorsque le démarrage est terminé, les contacts by-pass court-circuitent les thyristors. Les démarreurs progressifs sont basés sur le principe des grandeurs à angle de phase.

Caractéristiques mécanique et électrique

La variation de la tension aux bornes du moteur permet de régler le temps de démarrage et de limiter, voire de supprimer, la pointe d’intensité.

2. Variation de vitesse des machines asynchrones

2.1. Principe

La fréquence de rotation N (en tour /seconde) d’un moteur asynchrone dépend de la fréquence d’alimentation du stator f et du nombre de paires de pôles p.

Le couple maximal fourni par un moteur asynchrone est proportionnel au carré du rapport

• Pour faire varier la vitesse N , il faut faire varier la fréquence de la tension de l’alimentation.
• Pour conserver un couple maximal constant, il faut conserver un rapport U/f constant.

2.2. Variateurs de vitesse

Les variateurs de vitesse permettent de faire varier la valeur efficace et la fréquence de la tension aux bornes du moteur, en contrôlant le rapport U/f , grâce à une électronique de puissance intégrée.

La plupart des variateurs fonctionnent sur le principe de la modulation de largeur d’impulsion (MLI). Le variateur fournit une tension continue découpée en signaux rectangulaire de largeurs différentes. Le courant absorbé par le moteur est pratiquement sinusoïdal.

Pour des fréquences <50 Hz, la commande électronique permet de contrôler la valeur efficace U et la fréquence f de la tension pour maintenir constant le rapport U/f.

Structure d’un variateur de vitesse

Freinage : pour freiner ou ralentir un moteur asynchrone, il faut diminuer sa fréquence d’alimentation. La vitesse de rotation devient alors supérieure à celle du champ tournant. La machine fonctionne en génératrice asynchrone.

L’énergie produite est soit :

Dissipée dans la résistance (par adjonction d’un module de freinage),

- Renvoyée au réseau

Démarrage d’un moteur asynchrone

1. Le démarrage direct

1.Le démarrage direct

Le démarrage direct est le procédé de démarrage le plus simple.

Les enroulements du stator sont couplés directement sur le réseau ;

le moteur démarre et atteint sa vitesse nominale.

Démarrage d’un moteur asynchrone

1. Le démarrage direct

Le démarrage direct est le procédé de démarrage le plus simple. Les enroulements du stator sont couplés directement sur le réseau ; le moteur démarre et atteint sa vitesse nominale. Le schéma de câblage est le suivant :

le courant de démarrage peut atteindre 4 à 8 fois le courant nominal.

Le couple de démarrage vaut en moyenne 0,6 à 1,5 fois le couple nominal, mais cela dépend des données constructrices.

2. Le démarrage étoile-triangle

Ce procédé ne peut s’appliquer qu’aux moteurs dont toutes les extrémités d’enroulement sont sorties sur la plaque à borne, et dont le couplage triangle correspond à la tension du réseau (soit pour un réseau 230V entre phases moteur 230/400V, et pour un réseau 400V entre phases moteur 400/690V).

Le démarrage s’effectue en deux temps. Premièrement, on couple les enroulements en étoile (cela revient à réduire la tension aux bornes des enroulements) et on met sous tension. Ensuite, par l’intermédiaire de contacteurs, on supprime le couplage étoile pour passer à un couplage triangle : le moteur est alimenté à pleine tension.

Le schéma de câblage est le suivant :

Le courant de démarrage est √3 fois plus faible qu’en démarrage direct, mais le couple de démarrage est trois fois plus faible.

Le démarrage statorique

L’alimentation réduite est obtenue dans un premier temps par la mise en série d’une résistance dans le circuit. Cette résistance est ensuite court-circuitée. L’intensité de démarrage n’est réduite que proportionnellement à la tension appliquée au moteur. Le couple moteur est quant à lui réduit comme le carré de la diminution de la tension. Le schéma de câblage est donné ci-dessous :

Le démarrage rotorique

Ce procédé de démarrage exige l’emploi d’un moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné avec sortie de l’enroulement rotorique sur trois bagues.

On limite le courant absorbé au stator en augmentant la résistance du circuit du rotor. Des résistances montées en série dans le circuit du rotor sont éliminées au fur et à mesure que le moteur prend de la vitesse.

Le courant absorbé est sensiblement proportionnel à l’intensité nominale, et le couple de démarrage est de 2 à 2,5 fois le couple nominal.

Le schéma de câblage est le suivant :

Tableau récapitulatif

Les différents procédés vus précédemment sont récapitulés dans le tableau suivant :