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ATS Machine asynchrone
Lycée P. Mendès France Epinal
MACHINE ASYNCHRONE
Le moteur asynchrone est, de beaucoup, le moteur le plus utilisé dans l’ensemble des applications industrielles, du fait de son faible cout, de son faible encombrement, de son bon rendement et de son excellente fiabilité.
Son seul point noir est l’énergie réactive, toujours consommée pour magnétiser l’entrefer. Les machines triphasées, alimentées directement sur le réseau, représentent la grande majorité des applications ; supplantant les machines monophasées aux performances bien moindres et au couple de démarrage nul sans artifice.
Autrefois, sa mise en œuvre (démarrage et variation de vitesse) se révélait compliqué mais tout cela s'est résolu grâce aux progrès de l'électronique de puissance. La conséquence de ce développement de l'électronique de commande fait que le moteur asynchrone est maintenant utilisé dans des domaines très variés :
- Transport (TGV est , tramways)
- Industrie
- Production d'énergie (éolienne)
- ….
1. RAPPEL DES NOTIONS DE TRIPHASE
Une alimentation triphasée est constituée de 3 tensions identiques décalées d'un angle 2π 3. e 1 = E sin(wt), e 2 = E sin(wt-2π/3), e 3 = E sin(wt+2π/3).
Pour délivrer cette énergie, on a besoin de 3 câbles correspondants à chacune des tensions (appelées phases) et éventuellement d'un autre câble (le neutre) permettant le retour du courant lorsque les courants ne sont pas équilibrés. (i 1 +i 2 +i 3 0)
On peut alors trouver deux types de tension :
- tension simple : tension entre phase et neutre, notée généralement V : ex V 1
- tension composée : tension entre 2 phases, notée U : ex U 13 =V 1 -V 3
Dans un réseau équilibré, la relation en valeurs efficaces entre les deux types de tension est : U=√3. V En France, le réseau triphasé distribué par EDF est un réseau 230/400 V.
En régime sinusoïdal équilibré, on peut calculer les puissances électriques par les formules suivantes : Puissance active en W : P=3.V.I.cos = √3.U.I.cos Puissance réactive en Var : Q=3.V.I.sin = √3.U.I.sin Puissance apparente en VA : S=3.V.I=√3.U.I
M
L L L
N
V 1 U 13
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2. CONSTITUTION
La machine asynchrone est constituée de deux éléments principaux : (cf diaporama) 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. COUPLAGE DU STATOR
Rq : Le stator peut être alimenté selon deux couplages : étoile ou triangle. La tension aux bornes des enroulements (bobinages) ne sera pas la même suivant le couplage.
Couplage étoile :
Le schéma de raccordement est donné ci-contre :
Dans ces conditions, l'enroulement voit à ses bornes la tension simple du réseau.
Exemple : sur le réseau EDF classique 230/400, un moteur couplé en étoile aurait une tension sur chaque bobinage du stator de 230V.
Boîte à bornes
Plaque signalétique
Ailette de refroidissement
Bobinage stator
Rotor en cage d'écureuil Arbre
Ventilateur
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5. MODELISATION
En fonctionnement triphasé équilibré, la machine asynchrone peut être modélisée comme un transformateur triphasé, dont le secondaire aurait une pulsation g.w
Moyennant quelques approximations (en négligeant notamment les pertes joules au stator), on peut donner un modèle monophasé de la machine asynchrone dans lequel tout est ramené au stator.
𝐼′ 1 = 𝑚. 𝐼 1 avec m rapport de transformation rotor/stator : m=V 20 /V 1
R 2 représente les pertes joules du rotor ramenées au stator
Rpf représente les pertes fers au stator
Lm : inductance magnétisante (magnétisation de la carcasse métallique du moteur et de l'entrefer)
X 2 représente les flux de fuite.
1−𝑔 𝑔 R^2 est une résistance fictive. La puissance consommée par cette résistance représente la puissance électrique transformée en puissance mécanique.
Ce schéma n'est qu'un modèle. La plupart de ces éléments n'ont pas d'existence physique.
6. BILAN DES PUISSANCES
Les pertes dans la machine asynchrone sont dues aux :
- pertes joules stator : PJS=3.R 1 .J 1 ² ( voir ce que vaut J en fonction du couplage)
- pertes fer : (hystérésis et courant de Foucault): Pf 3 𝑉^1
2 𝑅𝑝𝑓
- pertes joules rotor : PJS=3.R 2 .I 2 ² Rq : on a également la relation PJR=g.PTr avec PTr puissance
transmise au rotor PTr = 3 𝑅 𝑔^2 × 𝐼′ 12
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7. COUPLE ELECTROMAGNETIQUE
On peut, à partir du schéma équivalent, calculer l'expression de la puissance mécanique moteur puis en déduire le couple moteur.
Ptr=.................. ...... .( ×3 : car 3 phases égales dans le moteur) or 𝐼1′ =......
donc : Ptr=....................... =................
On en tire : 𝐶𝑒𝑚 = 3 Ω.𝑉𝑆² ×
𝑅 2 𝑔 (𝑋 2 )^2 +(𝑅 𝑔^2 )^2
= 3 .𝑝 𝑤.𝑉 ²×
𝑅 2 𝑔 (𝑋 2 )^2 +(𝑅 𝑔^2 )^2
Soit 𝐶𝑒𝑚 =
3 𝑝.𝑉² 𝐿 2 .𝑤² ×^
1 𝑔.𝑋 2 𝑅 2 +^
𝑅 2 𝑔.𝑋 2
On peut connaitre le maximum de couple que peut fournir le moteur d'après l'expression de Cm en résolvant
l'équation 𝑑^ 𝑑𝑔𝐶𝑒𝑚 = 0.
En résolvant l'équation, on trouve que ce maximum de couple est obtenu pour gmax= 𝑅 𝑋^22 Cmax= 2 .3.𝑋 2 𝑉.²Ω𝑆 =
3 .𝑉²
2 .𝐿 2 .𝑤.Ω𝑆^ =^
3 𝑝.𝑉² 2 .𝐿 2 .𝑤²
On peut alors écrire le couple sous la forme : 𝐶𝑒𝑚 =
2 Cmax 𝑔 𝑔𝑚𝑎𝑥+
𝑔𝑚𝑎𝑥 𝑔
On peut alors tracer l'évolution du couple en fonction du glissement ou de la vitesse rotor :
On constate sur ces courbes qu'il y a une zone (lorsque le glissement est faible, près de la vitesse de synchronisme) où le couple est linéaire par rapport à la vitesse. Cette zone correspond au point de fonctionnement nominal du moteur.
zone linéaire
couple de démarrage
zone linéaire
hypersynchrone
zone instable
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Exemple de charges : sec, visqueux...
9. DEMARRAGE ET VARIATION DE VITESSE
Lors du démarrage d'une machine asynchrone on constate un pic de courant entre 4 et 8 fois le
courant nominal. Pour remédier à ce problème, plusieurs méthodes sont employées :
- démarrage étoile-triangle (les bobinages de la machine vont être soumis dans un premier
temps à une tension réduite, tension nominale/√3, puis la tension nominale)
- ajout d'une résistance au stator
- augmentation progressive de la tension grâce à un auto-transformateur ou un gradateur
Dans les applications nécessitant une variation de
vitesse, on utilise un onduleur (cf cours onduleur).
L'onduleur est un montage électronique permettant
de créer un système de tensions triphasées dont on
peut régler à la fois, la fréquence et l'amplitude.
Les industriels proposent des variateurs intégrant un
pont de diode intégrant la génération de tension
continue et l'onduleur permettant la création de
réseau triphasé variable en amplitude et en fréquence.
Pour que l'on soit dans la plage de fonctionnement nominal du
moteur, il faut conserver g0. Le seul moyen de faire varier la
vitesse est alors de modifier la vitesse de synchronisme
Mais pour ne pas modifier la valeur du couple en fonction de la
vitesse, on va fonctionner avec un rapport 𝑈𝑓 constant.
(Rappel : Cem= 3𝑝 𝐿 2 × (
𝑉 𝑤)
2 × 1 𝑔.𝑋 𝑅2 +^
𝑅 𝑔.𝑋
, donc si (^) 𝑤𝑉 est constant,
le couple max ne change pas.)
Machine à puissance constante (enrouleuse, compresseur, essoreuse)
Machine à couple constant (levage, pompe)
Machine à couple proportionnel à la vitesse (pompe volumétrique, mélangeur)
Machine à couple proportionnel au carré de la vitesse (ventilateur)
