MOTEURS ASYNCHRONES
CI3 : Chaîne d’énergie
MOTEURS ASYNCHRONES COURS
Edition 1 - 13/12/2017
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CHAÎNE D’INFORMATION
ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER
CHAÎNE D’ENERGIE
ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE
ACTI
ON
PROBLEMATIQUE
« Les moteurs asynchrones représentent 1/3 de la
consommation électrique mondiale. Il s’agit de moteurs robustes, éprouvés »
B : MODELISERB : MODELISERB : MODELISERB1 : Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant sur un système
Identifier les pertes d’énergie dans un convertisseur statique d’énergie, dans un actionneur ou dans une liaison
C : RESOUDREC : RESOUDREC : RESOUDREC2 : Procéder à la mise en oeuvre d’une démarche de résolution analytique
Déterminer les caractéristiques mécaniques de l’actionneur
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SommaireA. _______________________________________________________________Généralités! 4
A.1.introduction 4
A.2.Rappels sur le régime triphasé 4
B. ________________________________________________Etude du moteur asynchrone! 5
B.1.Constitution du moteur asynchrone 5
B.2.Couplage d’un moteur asynchrone 6
B.3.Principe de fonctionnement 7
B.4.Modélisation électrique d’un moteur asynchrone 8
B.5.Couple électromagnétique 10
B.6.Pilotage d’un moteur asynchrone 12
B.7.Bilan des puissances 12
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Sommaire Edition 1 - 13/12/2017
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A. Généralités
A.1. introduction
Le moteur asynchrone est le moteur le plus utilisé dans l’industrie. Il s’agit d’un moteur robuste, éprouvé, fiable, doté d’un bon rendement.
Il nécessite un réseau triphasé pour fonctionner, et il est nécessaire de magnétiser les pôles de son stator, ce qui en fait malheureusement un gros consommateur de puissance réactive.
A.2. Rappels sur le régime triphasé
Une alimentation triphasée est constituée de 3 phases lorsqu'il s’agit d’un réseau tripolaire, ou de 3 phases et 1 neutre lorsqu'il s’agit d’un réseau tétrapolaire. Chacune des phases fait circuler une tension de même amplitude et
de même pulsation, mais décalées de 2π3
La tension V1 , entre une phase et le neutre, est appelée tension simple
La tension U23 =V2 −V3 est appelée tension composée.
Dans un réseau équilibré, on a U = 3V
Les puissances transitant dans le réseau sont :
Puissance active : P = 3VI cosϕ = 3UI cosϕ
Puissance réactive : Q = 3VI sinϕ = 3UI sinϕ
Puissance apparente : S = 3VI = 3UI
En France, le réseau est caractérisé par une tension simple V = 230V et une tension composée U = 400V ,
à une fréquence f = 50 Hz
L1
L2
N
L3
e1(t)= E sin ωt( )
e2 (t)= E sin ωt − 2π3
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
e3(t)= E sin ωt − 4π3
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
U23V1
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Généralités Edition 1 - 13/12/2017
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B. Etude du moteur asynchrone
B.1. Constitution du moteur asynchroneUn moteur asynchrone est composé de 2 éléments principaux :
• Un stator, constitué de bobinages. Ce stator possède p paires de pôles (soit p enroulements par phase)• Un rotor, qui est la partie tournante du moteur, qui est soit en cage d’écureuil (barreaux lisses), soit bobiné
Bobinages du stator
Rotor à cage d’écureuil
Des phénomènes d’induction vont se créer au sein du rotor, et ces machines sont également appelées machines à induction.
Les courants induit qui circulent dans le rotor ne peuvent exister que si une différence de pulsation existe entre le stator et le rotor, donc entre la fréquence d’excitation du stator et la vitesse du rotor.
Cette différence de vitesse, qui est à l’origine de la création du couple électromagnétique, est appelée glissement, et est à l’origine du terme «asynchrone» de ce moteur.
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B.2. Couplage d’un moteur asynchrone
Un moteur est dimensionné pour recevoir une certaine tension dans chacun des bobinages du stator. En fonction de l’alimentation disponible, il faudra relier ces bobinages entre 1 phase et 1 neutre, ou entre 2 phases.
Les standard de tension d’alimentation des bobinages sont 127V, 230V et 400V
Couplage étoile, lorsque les bobinages doivent Couplage triangle, lorsque les bobinages doivent
être alimentés sous tension simple être alimentés sous tension composée
La plaque signalétique du moteur indique le type de couplage en fonction de la tension :
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Les plaques signalétiques des moteurs précisent ar ailleurs d’autres informations utiles :
B.3. Principe de fonctionnement
Le courant sinusoïdal qui circule dans le stator crée un champs magnétique tournant.
Ce champs magnétique tournant génère des courants induits dans les barreaux court-circuités du rotor
La circulation du courant induit dans le champs magnétique créé enfin une force sur les barreaux, qui se traduit par un couple.
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On appelle pulsation de synchronisme la pulsation du champs magnétique dans un stator alimenté à une fréquence f, et disposant de p paires de pôles :
Ωs =2π fp
Pour que les phénomènes inductifs puissent avoir lieu, il est nécessaire qu’il y ait une différence de pulsation entre le rotor et le champs magnétique du stator : c’est le glissement, défini par
g = Ωs −ΩΩs
En fonctionnement moteur, le glissement est positif (le rotor tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme), et le fonctionnement est dit «hyposynchrone».
La différence de pulsation fait que, du point de vue du rotor, ce dernier voit un champs magnétique à une fréquence fr = gf
B.4. Modélisation électrique d’un moteur asynchrone
Une phase d’un moteur asynchrone peut être vue comme un transformateur, dont la pulsation du secondaire serait égale à g 2π f( ) , et dont le secondaire serait court-circuité :
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où Z1 = r1 + jl1ω est l’impédance d’un enroulement du stator
Z2 = r2 + jl2ωg est l’impédance d’un enroulement du rotor
Rf est la résistance traduisant les pertes ferromagnétiques
Lm est l’inductance magnétisante
En ramenant les impédances du secondaire au primaire, on aboutit alors au schéma suivant :
En négligeant en outre les pertes fer, ce modèle devient :
Dans ces modèles, la puissance dissipée dans la résistance (fictive) R/g correspond à la puissance électrique convertie en puissance mécanique
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B.5. Couple électromagnétique
La puissance mécanique est donc égale à
Pem = 3RgI1t2
Le couple électromagnétique a donc pour expression :
Cem =PemΩs
Or I1t =V1
Rg+ jLω
, donc I1t2 =
V12
Rg⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
2
+ Lω( )2
D’où l’expression du couple électromagnétique :
Cem = 3V12
Ωs
Rg
Rg⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
2
+ Lω( )2 avec g = Ωs −Ω
Ωs
Cette expression peut finalement s’écrire sous la forme :
Cem =
2Cmaxggmax
+gmaxg
avec
Cmax =3V1
2
2 Lω( )Ωs
gmax =RLω
⎧
⎨
⎪⎪
⎩
⎪⎪
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L’allure du couple en fonction du glissement est donc la suivante :
Pour de faibles glissements, la courbe caractéristique est linéaire, et on a ggmax
=Cem
Cmax
Au-delà de cette partie linéaire, la courbe est hyperbolique, et est dangereuse en fonctionnement normal car elle engendre une instabilité qui peut conduire à la destruction de la machine, car elle va s’emballer.
Le fonctionnement hyposynchrone est le fonctionnement normal d’un moteur asycnchrone, tandis que le fonctionnement hypersynchrone correspond au focntionnement normal d’une génératrice.
Il existe toutefois des solutions, intéressantes dans le cas des éoliennes, pour faire fonctionner les génératrices en mode hyposynchrone, avec les machines asynchrones à double alimentation (MADA), mais dont l’étude sort du cadre du programme.
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B.6. Pilotage d’un moteur asynchrone
La vitesse d’un moteur dépend donc de la vitesse de synchronisme, qui dépend directement de la fréquence du courant dans le stator.
Faire varier la vitesse d’un moteur asynchrone revient donc à faire varier la fréquence d’excitation du stator. C’est le rôle des variateurs, qui sont des onduleurs. En faisant varier la fréquence de la modulante (dans le cas d’un onduleur MLI), on fait varier la fréquence du courant d’alimentation des bobinages du stator.
Rappelons toutefois que Cmax =3V1
2
2 Lω( )Ωs
= K V1f
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
2
Comme on cherchera à conserver le couple maximal, la variation de fréquence s’accompagnera d’une variation de tension, telle que le rapport U/f reste constant
Le pilotage sera dit effectué à U/f constant
B.7. Bilan des puissances
Pa = 3VI cosϕ = 3UI cosϕ
Pem = 3RgI1tt2
PM = 1− g( )PemPu =ηPM
pJs = 3rI12
pf = 3V12
Rf
pJr = 3r2I22 = gPem
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