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Le moteur asynchrone triphasé
1 ) Généralités
Le moteur asynchrone triphasé est largement
utilisé dans l'industrie, sa simplicité de
construction en fait un matériel très fiable et
qui demande peu d'entretien. Il est constitué
d'une partie fixe, le stator qui comporte le
bobinage, et d'une partie rotative, le rotor qui
est bobiné en cage d'écureuil. Les circuits
magnétiques du rotor et du stator sont
constitués d'un empilage de fines tôles
métalliques pour éviter la circulation de
courants de Foucault.
2 ) Principe de fonctionnement
Le principe des moteurs à courants alternatifs réside dans l’utilisation d’un champ magnétique
tournant produit par des tensions alternatives
La circulation d'un courant dans une bobine crée un
champ magnétique B. Ce champ est dans l'axe de la
bobine, sa direction et son intensité sont fonction du
courant I. C'est une grandeur vectorielle.
Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et
en direction à la même fréquence que le courant.
Si deux bobines sont placées à proximité l'une de
l'autre, le champ magnétique résultant est la
somme vectorielle des deux autres. Dans le cas
du moteur triphasé, les trois bobines sont
disposées dans le stator à 120° les unes des
autres, trois champs magnétiques sont ainsi créés
Compte-tenu de la nature du courant sur le réseau triphasé, les trois champs sont déphasés
(chacun à son tour passe par un maximum). Le champ magnétique résultant tourne à la même
fréquence que le courant soit 50 tr/s = 50Tr/s = 3000 tr/mn.
Les 3 enroulements statoriques créent donc un champ magnétique tournant, sa fréquence de
rotation est nommée fréquence de synchronisme. Si on place une boussole au centre, elle va
tourner à cette vitesse de synchronisme.
Le rotor est constitué de barres d'aluminium noyées
dans un circuit magnétique. Ces barres sont reliées à
leur extrémité par deux anneaux conducteurs et
constituent une "cage d'écureuil". Cette cage est en
fait un bobinage à grosse section et très faible
résistance.
Cette cage est balayée par le champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors
traversés par des courants de Foucault induits. Des courants circulent dans les anneaux formés
par la cage, les forces de Laplace qui en résultent exercent un couple sur le rotor. D'après la loi
de Lenz les courants induits s'opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance.
Le rotor tourne alors dans le même sens que le champ mais avec une vitesse légèrement
inférieure à la vitesse de synchronisme de ce dernier.
Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne
serait plus balayée par le champ tournant et il y aurait disparition des courants induits et donc
des forces de Laplace et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent donc
pas être synchrones d'où le nom de moteur asynchrone.
Prenons l'exemple d'un moteur dont la fréquence de rotation nominale relevée sur la place
signalétique est de 2840 tr/mn, ce moteur étant alimenté en courant de 50Hz, la fréquence de
rotation du champ magnétique est donc de 50 tr/s soit 3000 Tr/mn. Le rotor est donc balayé par
un champ magnétique qui tourne à un fréquence de rotation relative de 3000-2840=160 tr/mn.
3 ) Le bobinage
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.
4 ) 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.
5 ) Plaques signalétiques
• Type :(LS90Lz) référence propre au constructeur
• Puissance :(1,5Kw) puissance utile délivrée sur l’arbre du moteur.
• Facteur de puissance ou cos phi:(0,78) permet le calcul de la puissance réactive
consommée .
• rendement( 76%) : permet de connaître la puissance électrique consommée ou
absorbée
• Tensions : (230v/400v) la première indique la valeur nominale de la tension aux bornes
d’un enroulement. Elle détermine le couplage (étoile ou triangle) à effectuer en fonction de
la tension du réseau d’alimentation.
• Intensités :(6,65A/3,84A) Elles représentes l’intensité en ligne (dans chaque phase) pour
chacun des couplages .
• vitesse :(1440 Tr/min) Indique la vitesse nominale du rotor. On dit aussi vitesse réelle. On
connait alors La vitesse de synchronisme ns du moteur (ici 1500 tr/min)
• classe d’isolement :(non indiquée) .
• Température ambiante :(40°C)utilisation recommandée maximum
• Fréquence :(50Hz) fréquence du réseau d’alimentation.
• Nombre de phases :(Ph 3) moteur triphasé
• service :(S1) utilisation en marche continue, intermittente...
• Indice de protection IP :(non indiquée) défini par trois chiffres le degré de protection du
moteur à la poussière, à l’eau et aux chocs mécaniques.
6 ) Puissance et rendement
Bilan des puissances
7 ) Caractéristique du moteur asynchrone
Le couple (N.m) varie avec la fréquence
de rotation (tr/min) du moteur accouplé
à la charge entraînée ( supposée
fixe ) . Les caractéristiques du moteur et
de la charge se croisent au point de
fonctionnement pour lequel les couples
moteur et résistant sont identiques.
D'une manière générale, le point de
fonctionnement en moteur doit être
choisi pour N<Ns et doit être placé dans
la partie verticale de la courbe, au plus
près de la vitesse de rotation nominale
Nr ( appelée aussi Nn ).
8 ) Liaison avec le réseau EDF
Le moteur est relié au réseau par un certain nombre de dispositifs de sécurité et de commande.
• Le sectionneur d'isolement avec fusibles permet de déconnecter le moteur du réseau
pour des opérations de maintenance par exemple. Il protège également le dispositif 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.
Sectionneur Contacteur Relais thermique
NB : Pour modifier le sens de rotation d'un moteur asynchrone triphasé, il suffit de permuter deux
des trois phases.
9 ) La variation de vitesse
Malgré sa conception ancienne, le moteur asynchrone reste toujours d'actualité car
l'électronique permet maintenant de faire varier sa fréquence de rotation. Pour faire varier celle-
ci, il faut modifier la fréquence de rotation du champ magnétique et donc la fréquence du
courant d'alimentation. Les variateurs de vitesse sont des variateurs de fréquence.
Ils permettent
• Une gamme de vitesses de 5% à 200% de la vitesse
nominale
• Une conservation du couple sur toute la gamme de vitesses
• Des rampes d'accélération et de décélération
• Deux sens de rotation
La consigne de vitesse est en général fournie sous forme d'une
tension de 0 à 10V par exemple
Une protection du moteur est intégrée au variateur.
Le courant électrique issu du réseau est dans un premier temps converti en courant continu, il
est ensuite reconverti en courant alternatif par un onduleur mais avec une fréquence différente.
Il est ainsi possible de convertir du monophasé en triphasé si c'est nécessaire.
L'onduleur travaille en hacheur, il va moduler
le courant par largeur d'impulsions (PWM), le
courant résultant est proche d'une
sinusoïdale.
Schéma interne d'un variateur
10 ) Chaîne d'énergie avec variateur et moteur asynchrone
L'automate programmable industriel (API) de la chaîne d'information envoie une consigne
analogique sous forme d'une tension continue au variateur. Le variateur alimente le moteur
avec une fréquence de courant proportionnelle à cette consigne. L'automate doit être équipé
d'un module de conversion numérique/analogique.
11 ) réversibilité du moteur asynchrone
La machine asynchrone peut fonctionner dans les
quatre quadrants.
Suivant le variateur utilisé, les modes de
fonctionnement possibles sont:
Unidirectionnel: le passage de l'énergie ne peut se
faire que dans le sens réseau vers le moteur
( quadrants 2 et 4 seuls).
Bidirectionnel: l'énergie peut circuler dans les
deux sens. La machine synchrone peut fonctionner
en moteur ( quadrants 2 et 4) ou en alternateur
(quadrants 1 et 3). On utilise ici la réversibilité de
la machine asynchrone soit pour réinjecter
l'énergie dans le réseau, soit pour obtenir un couple
de freinage.
Auteur : alain.charbonnel@ac-caen.fr Mis à jour le 27 11 2010

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  • 1. Le moteur asynchrone triphasé 1 ) Généralités Le moteur asynchrone triphasé est largement utilisé dans l'industrie, sa simplicité de construction en fait un matériel très fiable et qui demande peu d'entretien. Il est constitué d'une partie fixe, le stator qui comporte le bobinage, et d'une partie rotative, le rotor qui est bobiné en cage d'écureuil. Les circuits magnétiques du rotor et du stator sont constitués d'un empilage de fines tôles métalliques pour éviter la circulation de courants de Foucault. 2 ) Principe de fonctionnement Le principe des moteurs à courants alternatifs réside dans l’utilisation d’un champ magnétique tournant produit par des tensions alternatives La circulation d'un courant dans une bobine crée un champ magnétique B. Ce champ est dans l'axe de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I. C'est une grandeur vectorielle. Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même fréquence que le courant. Si deux bobines sont placées à proximité l'une de l'autre, le champ magnétique résultant est la somme vectorielle des deux autres. Dans le cas du moteur triphasé, les trois bobines sont disposées dans le stator à 120° les unes des autres, trois champs magnétiques sont ainsi créés Compte-tenu de la nature du courant sur le réseau triphasé, les trois champs sont déphasés (chacun à son tour passe par un maximum). Le champ magnétique résultant tourne à la même fréquence que le courant soit 50 tr/s = 50Tr/s = 3000 tr/mn.
  • 2. Les 3 enroulements statoriques créent donc un champ magnétique tournant, sa fréquence de rotation est nommée fréquence de synchronisme. Si on place une boussole au centre, elle va tourner à cette vitesse de synchronisme. Le rotor est constitué de barres d'aluminium noyées dans un circuit magnétique. Ces barres sont reliées à leur extrémité par deux anneaux conducteurs et constituent une "cage d'écureuil". Cette cage est en fait un bobinage à grosse section et très faible résistance. Cette cage est balayée par le champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors traversés par des courants de Foucault induits. Des courants circulent dans les anneaux formés par la cage, les forces de Laplace qui en résultent exercent un couple sur le rotor. D'après la loi de Lenz les courants induits s'opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance. Le rotor tourne alors dans le même sens que le champ mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme de ce dernier. Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne serait plus balayée par le champ tournant et il y aurait disparition des courants induits et donc des forces de Laplace et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent donc pas être synchrones d'où le nom de moteur asynchrone. Prenons l'exemple d'un moteur dont la fréquence de rotation nominale relevée sur la place signalétique est de 2840 tr/mn, ce moteur étant alimenté en courant de 50Hz, la fréquence de rotation du champ magnétique est donc de 50 tr/s soit 3000 Tr/mn. Le rotor est donc balayé par un champ magnétique qui tourne à un fréquence de rotation relative de 3000-2840=160 tr/mn. 3 ) Le bobinage 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
  • 3. 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. 4 ) 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. 5 ) Plaques signalétiques
  • 4. • Type :(LS90Lz) référence propre au constructeur • Puissance :(1,5Kw) puissance utile délivrée sur l’arbre du moteur. • Facteur de puissance ou cos phi:(0,78) permet le calcul de la puissance réactive consommée . • rendement( 76%) : permet de connaître la puissance électrique consommée ou absorbée • Tensions : (230v/400v) la première indique la valeur nominale de la tension aux bornes d’un enroulement. Elle détermine le couplage (étoile ou triangle) à effectuer en fonction de la tension du réseau d’alimentation. • Intensités :(6,65A/3,84A) Elles représentes l’intensité en ligne (dans chaque phase) pour chacun des couplages . • vitesse :(1440 Tr/min) Indique la vitesse nominale du rotor. On dit aussi vitesse réelle. On connait alors La vitesse de synchronisme ns du moteur (ici 1500 tr/min) • classe d’isolement :(non indiquée) . • Température ambiante :(40°C)utilisation recommandée maximum • Fréquence :(50Hz) fréquence du réseau d’alimentation. • Nombre de phases :(Ph 3) moteur triphasé • service :(S1) utilisation en marche continue, intermittente... • Indice de protection IP :(non indiquée) défini par trois chiffres le degré de protection du moteur à la poussière, à l’eau et aux chocs mécaniques. 6 ) Puissance et rendement Bilan des puissances
  • 5. 7 ) Caractéristique du moteur asynchrone Le couple (N.m) varie avec la fréquence de rotation (tr/min) du moteur accouplé à la charge entraînée ( supposée fixe ) . Les caractéristiques du moteur et de la charge se croisent au point de fonctionnement pour lequel les couples moteur et résistant sont identiques. D'une manière générale, le point de fonctionnement en moteur doit être choisi pour N<Ns et doit être placé dans la partie verticale de la courbe, au plus près de la vitesse de rotation nominale Nr ( appelée aussi Nn ). 8 ) Liaison avec le réseau EDF Le moteur est relié au réseau par un certain nombre de dispositifs de sécurité et de commande. • Le sectionneur d'isolement avec fusibles permet de déconnecter le moteur du réseau pour des opérations de maintenance par exemple. Il protège également le dispositif 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.
  • 6. Sectionneur Contacteur Relais thermique NB : Pour modifier le sens de rotation d'un moteur asynchrone triphasé, il suffit de permuter deux des trois phases. 9 ) La variation de vitesse Malgré sa conception ancienne, le moteur asynchrone reste toujours d'actualité car l'électronique permet maintenant de faire varier sa fréquence de rotation. Pour faire varier celle- ci, il faut modifier la fréquence de rotation du champ magnétique et donc la fréquence du courant d'alimentation. Les variateurs de vitesse sont des variateurs de fréquence. Ils permettent • Une gamme de vitesses de 5% à 200% de la vitesse nominale • Une conservation du couple sur toute la gamme de vitesses • Des rampes d'accélération et de décélération • Deux sens de rotation La consigne de vitesse est en général fournie sous forme d'une tension de 0 à 10V par exemple Une protection du moteur est intégrée au variateur. Le courant électrique issu du réseau est dans un premier temps converti en courant continu, il est ensuite reconverti en courant alternatif par un onduleur mais avec une fréquence différente. Il est ainsi possible de convertir du monophasé en triphasé si c'est nécessaire. L'onduleur travaille en hacheur, il va moduler le courant par largeur d'impulsions (PWM), le courant résultant est proche d'une sinusoïdale.
  • 7. Schéma interne d'un variateur 10 ) Chaîne d'énergie avec variateur et moteur asynchrone L'automate programmable industriel (API) de la chaîne d'information envoie une consigne analogique sous forme d'une tension continue au variateur. Le variateur alimente le moteur avec une fréquence de courant proportionnelle à cette consigne. L'automate doit être équipé d'un module de conversion numérique/analogique.
  • 8. 11 ) réversibilité du moteur asynchrone La machine asynchrone peut fonctionner dans les quatre quadrants. Suivant le variateur utilisé, les modes de fonctionnement possibles sont: Unidirectionnel: le passage de l'énergie ne peut se faire que dans le sens réseau vers le moteur ( quadrants 2 et 4 seuls). Bidirectionnel: l'énergie peut circuler dans les deux sens. La machine synchrone peut fonctionner en moteur ( quadrants 2 et 4) ou en alternateur (quadrants 1 et 3). On utilise ici la réversibilité de la machine asynchrone soit pour réinjecter l'énergie dans le réseau, soit pour obtenir un couple de freinage. Auteur : alain.charbonnel@ac-caen.fr Mis à jour le 27 11 2010