Moteurs asynchrones Références : Électrotechnique, Théodore Wildi, Électricité au service des machines, Bernard Schneider et Alain Beuret, Haute École d’Ingénierie et de Gestion de Canton de Vaud, Suisse: Exercices et problèmes d’électrotechniques, Luc Lasne, Dunod 2005www.iai.heig-vd.ch Présenter par : Ayoub Chtioui Gmail:

Alternateur de 1320 MW de la centrale nucléaire de Leibstadt (Suisse). Les turbines à vapeur qui l’entraînent sont en arrière-plan

Exercice préliminaire L’aimant se déplace à la vitesse v. Les rails sont conducteurs et parcourus par un courant I. Équation dynamique des rails ?

Moteur asynchrone Principe Les rails sont le siège d’une fém. donnée paret d’un courant Ils sont donc soumis à la force de Laplace Les sens de F est tel que l’effet s’oppose à la cause : le rail essaie de rattraper le champ, à une vitesse V. Ecrivons l’équation du mouvement du rail à un instant t : D’où : Le rail voit sa vitesse augmenter pour s’approcher de v sans jamais l’atteindre. Si v=V, F=0 (pas de flux coupé) Nous avons construis un moteur asynchrone linéaire. Moteur rotatif ? Champ tournant.

Trois enroulements alimentés en courants triphasés sinusoïdaux produisent un champ tournant, dans un sens ou dans l’autre. Principe inverse de la production des systèmes triphasés. Production du champ tournant

t=2 t=7 Champ résultant Théorème de Ferraris Trois bobines parcourues par un système de courants triphasé équilibré et décalées de 120°, produisent au centre un champ magnétique tournant à la pulsation des courants. Démonstration

Démonstration du théorème de Ferraris Champ créé par chaque bobine dans la direction  Courants dans les bobines Champ total dans la direction  p=1 Champ tournant, calcul de la vitesse dans le sens + Si on permute 2 courants, a et b dans le sens -

Champ tournant produit par un système de 3 bobines (1 paire de pôles) : au bout d’une demi période, le champ a tourné d’un demi tour : = vitesse de synchronisme

Champ tournant produit par 6 bobines (chaque phase comporte 2 bobines en série, 2 paires de pôles) : au bout d’une demi période, le champ a tourné d’un quart de tour 1 paire2 paires3 paires4 paires 3000 tr/min Pour 50 Hz

t=0 n s =vitesse de rotation du champ, vitesse synchrone, f = fréquence des courants statoriques p= nombre de paires de pôles par phase (ici p=1). Nombre de bobines/phase (2 pôles/bobine) Stator Production du champ tournant

Les 3 bobines parcourues par des courants alternatifs de fréquence f (50 Hz) décalés électriquement forment le stator. Le champ magnétique produit tourne à la fréquence de synchronisme Ce champ remplace l’aimant en mouvement Le rotor, sous forme de rail recourbé sur lui-même pour former une cage d’écureuil, va suivre le champ tournant à une fréquence légèrement inférieure à la fréquence de synchronisme d'où le nom de moteur asynchrone. Le rotor est toujours en court-circuit Rotor en cage d’écureuil

Constitution Stator BaBa BcBc BbBb Bobines A, B et C du stator en étoile, point commun N. 2 pôles par phase

Équations Si est homogène au niveau de la spire : d’où la fém. induite : est le glissement (g ou s) En l’absence de glissement, pas de flux coupé, fém.=0 A vide (sans charge) : En charge :E et I augmentent, donc C jusqu’à équilibrer la charge (g 0.5% à 3 %) E 0, I 0, C 0, g 0 Gros Moteurs P>1MW Petits moteurs P<10 kW pulsation au rotor E co = tension induite au rotor bloqué et à circuit ouvert : E Vitesse de rotation du rotor Vitesse du champ tournant =Pulsation courants statoriques (si p=1)

Équivalence transformateur 2 bobinages (triphasés), un circuit magnétique comprenant une partie fixe et une partie mobile séparées par un entrefer. R 1, résistance du stator L 1 inductance de fuite stator   flux net au stator Idem R 2 et L 2 Équations E2E2 E1E1 E1E1 E2E2

Circuit équivalent (par phase) : à l’arrêt (g=1) Glissement (slip) stator rotor

Circuit équivalent (par phase) : en marche (g≠1) Fréq. sf Fréq. f Pour les puissances > 2 kW, on peut déplacer la branche parallèle à l’entrée

Bilan des puissances, calcul du couple et du rendement Puissance active absorbée (par phase): Puissance réactive absorbée : Courant de ligne Facteur de puissance Puissance fournie au rotor P r Puissance Joule rotor Puissance mécanique

Caractéristique mécanique 1hp=746 W Zone de fonctionnement (s~0) s=1 s=0 Arrêt

C C C I p (s)

Essais, détermination des paramètres Essai à rotor bloqué (s=1), x et r 2 RfRf Mesure de la résistance r 1 du stator r1r1 r 2 /s Essai à vide (X m et R f )

Fonctionnement en génératrice Si N>N s : P r <0, le rotor fournit l’énergie active, s<0 PrPr T Wilidi, page 574 pour le calcul du rendement, du couple etc.

Démarrage Électricité au service des machines, p206, I d >> I n A Tout moment il faut C > C ch On démarre en étoile, ensuite on passe à triangle Point de fonctionnement F Ou utiliser des rhéostats avec des bagues au rotor au démarrage, mises en CC en fonctionnement

Électricité au service des machines, p206, Étoile Triangle

Freinage Par récupération C ch = 60 Nm, N=1760 tr/min courbe (A) : U=460 V, f=60 Hz Moteur 18,5 kW Diminuer U et f (convertisseur de fréquence), N diminue, le point de fonctionnement se déplace de 2 vers 3 (récupération d’énergie), C s’inverse et atteint le point de fonctionnement 4, même couple, vitesse plus faible. Arrêt si f décroissante vers 0 Par inversion : Inverser 2 phases (inversion de vitesse) Par injection d’un CC : Entre 2 phases, flux, courants induits qui s’opposent à la cause, couple opposé Récupération d’énergie

Branchements En étoile : Couple faible En triangle : Couple plus fort. Démarrage en 2 temps : étoile puis triangle.

Applications Domestique (machines à laver, sèche linge, tondeuse), Industrie (machines outils, traction). Existe en monophasé (domestique) et en triphasé (industrie) Peut avoir un bon couple au démarrage Entraînement à vitesse variable (variateur de vitesse) Bon rapport couple / volume Utilisations à vitesse fixe : pompes, ventilateurs, convoyeurs, ascenseurs Traction, trolley, locomotive

Plaque signalétique Tension supportée par un enroulement Avec un réseau 220/380 : démarrer en triangle Avec un réseau 380/660 : démarrer en étoile

Variation de vitesse Ce sont des variateurs de fréquence : modification de la fréquence des courants d’alimentation donc du champ tournant

Q : Sectionneur avec fusible, isole la machine pour entretien, protège contre CC Contacteur Km : alimenter le moteur avec commande manuelle ou automatique Relais thermique F : protège contre la surcharge, détecte la différence de courant entre phases en cas de coupure d’une liaison Le transfo abaisse la tension à 24V pour garantir la sécurité des utilisateurs Schéma de liaison au secteur

Moteur Asynchrone Monophasé : Constitution Le rotor est au repos 2 pôles Courants induits par la variation sinusoïdale du flux produit au stator. Mais le couple est nul. Le moteur monophasé ne démarre pas tout seul Nécessité d’un enroulement auxiliaire au démarrage. Il constitue avec l’enroulement principal un système biphasé. L’enroulement auxiliaire est mis hors circuit dès que le moteur atteint 75% de sa vitesse Montrer qu’un système biphasé produit un champ tournant

Moteur monophasé Au démarrage Le rotor est lancé Les barres du rotor sont le siège de courants induits I r Les courants induits produisent un flux en quadrature avec le flux Ce flux remplace le flux auxiliaire utilisé au démarrage Couple au démarrage Courant auxiliaire Courant principal Déphasage entre les 2 courants

Moteur à phase auxiliaire résistive Enroulement principal forte réactance faible résistance ( - 90°/E ) Enroulement auxiliaire faible réactance, forte résistance ( 0°/E ) Risques d’échauffement de l’enroulement auxiliaire. L’interrupteur centrifuge doit s’ouvrir en 1-2 secondes. Relais thermique Ne convient pas aux démarrages fréquents

Moteur à démarrage par condensateur C introduit un déphasage +90° /E Déphasage plus grand entre les 2 courants ppal et auxil. Pour augmenter le déphasage et donc le couple

Caractéristique en charge Les 2 enroulements sont excités : la vitesse nominale est atteinte en moins d’1s Enroulement ppal seul Utilisation : même que le triphasé pour les petites puissances < 1 kW

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