moteur asynchrone

Description de la machine asynchrone :

Un moteur asynchrone se présente sous la forme d’un carter entourant (stator) qui accueille dans ces encoches les enroulements statorique. A l’intérieur du stator qui se présente comme un cylindre creux, tourne les enroulements rotorique, ce dernier est traversé par l’arbre qui repose sur des roulements montées dans les flasques fixés au carter .

Symboles:

La Figure 2 représente le moteur asynchrone triphasé (à rotor bobine et à rotor à cage d’écureuil) par sont symbole normalisé

Structure de la machine asynchrone :

L’organisation d’une machine asynchrone est constituée des principaux éléments suivants : 

- Le stator (partie fixe) constitué de disques en tôle magnétique portant les enroulements pour magnétiser l’entrefer.

 - Le rotor (partie tournante) constitué de disque en tôle magnétique empilés sur l’arbre de la machine portant un enroulement rotorique.

 - Les organes mécaniques permettant la rotation du rotor et le maintien les différents sous-ensembles.

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Stator :

La figure 3 représente un stator comporte un bobinage triphasé, dont chaque phase ne comporte qu’une bobine occupant deux encoches diamétralement opposées, les trois phases sont identiques mais décalées entre elle de 2π/3. Cet enroulement (bobines), est alimenté en triphasé par l’intermédiaire de la plaque a borne ce qui permet de l’alimenter en étoile ou en triangle le moteur et possède p paires de pôles. 

Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la pulsation de synchronisme : 𝝎𝒔=𝒘/𝒑

𝝎𝒔∶𝒗𝒊𝒕𝒆𝒔𝒔𝒆 𝒔𝒚𝒏𝒄𝒉𝒓𝒐𝒏𝒆 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒕𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝒅𝒖 𝒄𝒉𝒂𝒎𝒑𝒔 𝒕𝒐𝒖𝒓𝒏𝒂𝒕 𝒆𝒏 𝒓𝒂𝒅.𝒔−𝟏 

𝒘∶𝒑𝒖𝒍𝒔𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝒅𝒆𝒔 𝒄𝒐𝒖𝒓𝒂𝒏𝒕𝒔 𝒂𝒍𝒕𝒆𝒓𝒏𝒂𝒕𝒊𝒇𝒔 𝒆𝒏 𝒓𝒂𝒅.𝒔−𝟏 𝒘=𝟐.𝒑.𝒇

𝒑∶𝒏𝒐𝒎𝒃𝒓𝒆 𝒅𝒆 𝒑𝒂𝒊𝒓𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝒑𝒐𝒍𝒆𝒔

Rotor :

Rotor bobiné :

Le rotor comporte un enroulement bobiné { l’intérieur d’un circuit magnétique constitué de disques en tôle empilés sur l’arbre de la machine, Les extrémités des enroulements rotoriques sont sorties et reliées { des bagues montées sur l’arbre, sur lesquelles frottent des balais en carbone. On peut ainsi mettre en série avec le circuit rotorique des éléments de circuit complémentaire qui permettent des réglages de la caractéristique couple/vitesse. (figure 4)

Rotor à cage :

Le circuit du rotor est constitué de barres conductrices régulièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant les extrémités, le tout rappelant la forme d’une cage d’écureuil. Bien entendu, cette cage est insérée { l’intérieur d’un circuit magnétique analogue { celui du moteur à rotor bobiné.

Les barres sont faites en cuivre, en bronze ou en aluminium, suivant les caractéristiques mécaniques et électriques recherchées par le constructeur. Ce type de moteur est beaucoup plus aisé { construire que le moteur { rotor bobiné est par conséquent d’un prix de revient inférieur et { une robustesse intrinsèquement plus grande. Il n’est donc pas étonnant qu’il constitue la plus grande partie du parc des moteurs asynchrones actuellement en service. (Figure 5)

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Paliers :

 Les paliers qui permettent de supporter et de mettre en rotation l'arbre rotorique sont constitués de flasques et de roulements à billes insérés à chaud sur l'arbre. Les flasques moulés en fonte sont fixés sur le carter statorique grâce à des boulons ou des tiges de serrage comme nous pouvons le visualiser sur la Figure 6.

Le principe de fonctionnement de la machine asynchrone :

Le principe de fonctionnement d'une machine asynchrone est basé sur l'interaction électromagnétique du champ tournant, crée par le courant triphasé fourni à l'enroulement statorique et des courants induits dans l'enroulement rotorique lorsque les conducteurs du rotor sont coupés par le champ tournant. Cette interaction électromagnétique du stator et du rotor n'est possible que lorsque la vitesse du champ tournant diffère de celle du rotor. Le rotor de la machine asynchrone tourne à la vitesse de 𝛀𝐫 exprimée en (rad/ sec) et la force magnétomotrice produite par les courants statoriques tourne à la vitesse de synchronisme à 𝛀𝐬 exprimée en (rad/sec) .

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Définition du glissement :

Par définition, le glissement est l’écart des vitesses angulaires synchrone Ωs et réelle Ωr , rapporté a la vitesse du champ tournant. 𝑔=𝛺𝑠−𝛺𝑟/𝛺𝑠=𝑛𝑠−𝑛𝑟/𝑛𝑠.

𝑛𝑠=𝑣𝑖𝑡𝑒𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 synchronisme 𝑑𝑢 champ 𝑡𝑜𝑢𝑟𝑛𝑎𝑡 𝑒𝑛 𝑟𝑎𝑑.𝑠−1 𝑛𝑟=𝑣𝑖𝑡𝑒𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑢 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑟𝑎𝑑.𝑠−1 𝛺𝑠=2.𝜋.𝑛𝑠 𝑒𝑛 𝑟𝑎𝑑.𝑠−1 𝑒𝑡 𝛺𝑟=2.𝜋.𝑛𝑟 𝑒𝑛 𝑟𝑎𝑑.𝑠−1

* 𝑔=0 pour 𝑛𝑟=𝑛𝑠 𝑖𝑙 𝑛′𝑦𝑎 𝑝𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒.

* 𝑔<0 pour 𝑛𝑟>𝑛𝑠 𝑙𝑎 machine 𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑛𝑒 𝑒𝑛 𝑔é𝑛é𝑟𝑎𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒.

* 𝑔>0 pour 𝑛𝑟<𝑛𝑠 𝑙𝑎 machine𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑛𝑒 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑒𝑢𝑟.

* 𝑔=1 pour 𝑛𝑟=0 𝑙𝑎 machine 𝑒𝑠𝑡 à 𝑙′𝑎𝑟𝑟𝑒𝑡.

* 𝑔>1 pour 𝑛𝑟<0 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑡𝑒𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑠𝑡 𝑙′𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑑𝑢 𝑐h𝑎𝑚𝑝𝑠

𝑡𝑜𝑢𝑟𝑛𝑎𝑡 𝑙𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑒𝑢𝑟 𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑖𝑛𝑎𝑔𝑒.

Point de fonctionnement du moteur en charge :

Le couple varie avec la fréquence de rotation pour le moteur et pour la charge entraînée. Les caractéristiques du moteur et de la charge se croisent au point de fonctionnement pour lequel les couples moteur et résistant sont identiques, la courbe du couple résistant dépend de la charge.

Bilan de puissance du moteur :

Le moteur absorbe au réseau la puissance : 𝑷𝒂=𝟑.𝐕.𝐉𝐜𝐨𝐬𝜶.

Une partie de cette puissance est perdue dans le stator sous forme de pertes dans le fer (𝑷𝒇𝒓) et de pertes dans le cuivre dues { l’effet joule (𝑷𝒋𝒔). 

La puissance restante est transmise au rotor par le champ tournant sous la forme de puissance électromagnétique : 𝑷𝒕𝒓=𝑷𝒂− (𝑷𝒋𝒔+𝑷𝒇𝒔) .

Une partie de la puissance transmise est gaspillée par le rotor et ces roulements, l’autre partie se trouve en puissance mécanique 𝑷𝒎 disponible sur l’arbre de moteur.

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Rendement :

Le rendement d’un moteur asynchrone est la puissance de sortie sur la puissance d’entrée alors est le rapport de la puissance utile à la puissance absorbée. 𝜼=𝑷𝒖/𝑷𝒂

La plaque signalétique :

La plaque signalétique d’un moteur asynchrone est la carte d’identité du moteur délivrée et certifiée par le constructeur, elle contient donc les caractéristiques nominales électriques du moteur .

Chois du couplage du moteur :

Afin d’adapter électriquement un moteur (et éviter de le griller !!) par rapport à l’alimentation électrique distribuée sur le réseau il est IMPERATIF de coupler les enroulements du moteur, deux Couplages sont possibles :

Le couplage du moteur dans la boite à borne :

Le branchement des bobines sur le réseau se fait au niveau de la plaque à borne située au dessus du moteur. On dispose ainsi de 6 connexions, une fois défini, le couplage (étoile 𝛌 ou triangle Δ ) sera réalisé grâce à des barrettes de couplages positionnées dans la boite à bornes du moteur de la façon ci- dessous :

Alimentation et protection du moteur :

Le moteur est relié au réseau par un certain nombre de dispositifs de sécurité et de commande, Pour protéger les moteurs électriques ou les personnes qui l'utilisent, il va falloir détecter les défauts (surcharge, courts-circuits, surtensions) avant de les neutraliser, le plus souvent en coupant le courant dans le circuit incriminé. Nous allons maintenant présenter les équipements qui permettent de satisfaire cette tache :

- Sectionneur : d'isolement du moteur pour des opérations de maintenance. Il protège également les dispositifs en aval contre les risques de court circuit grâce aux fusibles.

- Le contacteur : permet l'alimenter le moteur avec une commande manuelle ou automatique avec un automate programmable.

- Le relais thermique : protège le moteur contre les surcharges de courant, l'intensité maximale admissible est réglable. Son action différentielle permet de détecter une différence de courants entre les phases en cas de coupure d'une liaison par exemple.

- Le transformateur abaisse la tension secteur à une valeur de 24V pour garantir la sécurité des utilisateurs sur la partie commande.

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Les avantages et les inconvénients du moteur asynchrone :

Avantage

 * La robustesse

 * La simplicité de construction

 * Moteur peu coûteux 

 * Peu d’entretiens

 * Bon rendement

Inconvénient

 * La vitesse dépend de la charge

 * Le courant de démarrage égale à 6-8 fois le courant nominal.

 * cos𝜑 à vide est très faible et non réglable

Domaine d’utilisation :

Les machines asynchrones sont les machines alternatives les plus répandues en les utilise dans nombreux dispositifs :

 * Les stations de pompage.

 * Les appareils de levage.

 * Les ascenseurs.

 * Les machines outils de base pour le travail des métaux ou du bois.

 * Les dispositifs de manutention comme les tapis roulants.

 * La ventilation des locaux climatiques.