Machine Asynchrone
Machine Asynchrone
Machine Asynchrone
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)
- ….
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. (i1+i2+i30)
L1
V1
L2 U13 M
L3 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
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.
Boîte à bornes
Bobinage stator
Ailette de
refroidissement
Ventilateur
Plaque signalétique
Rotor en cage
d'écureuil Arbre
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 composée du réseau.
Exemple : sur le réseau EDF classique 230/400, un moteur couplé en étoile aurait
une tension sur chaque bobinage du stator de 400V.
Les plaques signalétiques des Moteurs asynchrone indiquent quel couplage réaliser
en fonction de la tension composée du réseau, puis les grandeurs nominales du
moteur pour le couplage considéré.
Les courants alternatifs dans les bobinages du stator vont créer dans l'entrefer (espace entre rotor et stator)
un champ magnétique tournant à la vitesse :
S
-1
s w : pulsation des courants alternatifs en rad.s . =
p 2..f p : nombre de paires de pôles.
Le champ tournant balaie les bobinages rotoriques et va créer des courants induits dans le rotor en court-
circuit (loi de Lenz). Ces courants (de pulsation g.w) vont eux même entrainer un champ magnétique qui va
s'opposer aux causes qui lui ont donné naissance. L'interaction de ces deux champs magnétiques va alors
créer un couple qui va entrainer le rotor en rotation.
Le rotor tourne à la vitesse n plus petite que la vitesse de synchronisme ns. On dit que le rotor « glisse » par
rapport au champ tournant. On introduit alors une variable caractérisant la vitesse de rotation du rotor.
g
ns s
-1
N : vitesse de rotation du rotor (tr.s ).
-1 -1
Ω = 2n (rad.s ) et Ω = 2n (rad.s )
S S
w
De la relation précédente, on peut aussi tirer l'expression : Ω = (1 − g) × ΩS = (1 − g) ×
p
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.
Ce schéma n'est qu'un modèle. La plupart de ces éléments n'ont pas d'existence physique.
- pertes joules rotor : PJS=3.R2.I2² Rq : on a également la relation PJR=g.PTr avec PTr puissance
𝑅2 2
transmise au rotor PTr= 3 × 𝐼′ 1
𝑔
- pertes mécaniques Pm
7. COUPLE ELECTROMAGNETIQUE
On peut, à partir du schéma équivalent, calculer l'expression de la puissance mécanique moteur puis en
déduire le couple moteur.
donc : Ptr= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = . . . . . . . . . . . . . . . .
𝑅2 𝑅2
3.𝑉² 𝑔
On en tire : 𝐶𝑒𝑚= × = 3.𝑝.𝑉𝑤² 𝑔
𝑅2 2
Ω𝑆 𝑅
(𝑋2 )2+( 2)
2 ×
𝑔 (𝑋2)2+( )
𝑔
3𝑝.𝑉² 1
Soit 𝐶𝑒𝑚= × 𝑔.𝑋2 𝑅2
𝐿 2 .𝑤² +
𝑅2 𝑔.𝑋2
On peut connaitre le maximum de couple que peut fournir le moteur d'après l'expression de Cm en résolvant
𝑑 𝐶𝑒𝑚
l'équation = 0.
𝑑𝑔
𝑅 2
En résolvant l'équation, on trouve que ce maximum de couple est obtenu pour g = 𝑋 Cmax= 3.𝑉²
max
2 2.𝑋2.Ω𝑆=
3.𝑉²
3𝑝.𝑉²
2.𝐿2 .𝑤.Ω𝑆 = 2.𝐿2 .𝑤²
2Cmax
On peut alors écrire le couple sous la forme : 𝐶𝑒𝑚 = 𝑔 𝑔𝑚𝑎𝑥
𝑔𝑚𝑎𝑥+ 𝑔
zone linéaire
couple de
démarrage
zone instable
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.
Spé génie électrique
ATS Machine asynchrone
Le couple de démarrage s'obtient en prenant g=1. La zone g>g max est instable, ces points ne sont parcourus
qu'en régime transitoire.
Lorsque g<0, le rotor tourne à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme. On est alors en
fonctionnement hypersynchrone. La machine asynchrone fonctionne en générateur (mode de
fonctionnement des éoliennes).
On va ici étudier comment trouver le point de fonctionnement du moteur (c'est à dire le couple fourni et la
vitesse de rotation) lorsque l'on accouple le moteur à une charge mécanique.
a) par le calcul
Le couple de la charge mécanique peut s'exprimer en fonction de la vitesse de rotation.
Ex : Si le moteur est destiné à entrainer un ventilateur, le couple de charge du ventilateur est proportionnel
au carré de la vitesse. On a Cr=k.N²
Pour obtenir la vitesse de fonctionnement, il suffit alors d'écrire l'égalité entre le couple fourni par le moteur
et le couple de charge, puis on résout l'équation : Cu= Cr , qui devient Cem=Cr si le couple de perte est négligé
(pertes mécaniques).
Rq : le couple moteur est souvent exprimé en fonction du glissement, pour pouvoir résoudre l'équation, il
faut donc exprimer la vitesse de rotation en fonction de g :
N= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.𝑉² 𝑅2
× 𝑔
= 𝑘. (… … … … … … … … … . )2 on obtient g, puis on en déduit C et .
𝑅 2
Ω𝑆 (𝑋 )2+( 2)
2 𝑔
b) graphiquement
de pompage le couple est proportionnel à la vitesse Cr=k×N. On obtient alors le tracé suivant :
t alors obtenu par l'intersection des deux courbes. On lit donc graphiquement la valeur de la vitesse et du couple.