Cours de Moteur Asynchrone Par ( Www.cours-electromecanique.com)

7/25/2019 Cours de Moteur Asynchrone Par ( Www.cours-electromecanique.com)

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LE MOTEUR ASYNCHRONE

. I Prsentation

Un champ magntique tournant produit la rotation d'un disque mtallique tournant unefrquence de rotation infrieure celle du champ : sa rotation est asynchrone.

. a Le stator

Il est constitu de trois enroulements aliments par des tensions triphases de frquence, f, qui

produisent ainsi un champ magntique tournant la frquence de rotation, ns, appelefrquence de synchronisme :

ns La frquence de rotation du champ en tours par seconde[tr.s-1]

f La frquence des tensions dalimentation en Hertz [Hz]p Le nombre de paires de ples du rotor

Une autre relation se dduit de la prcdente :

s= 2.ns=2. s La vitesse angulaire du champ , en radians par seconde[rad.s-1]

. b Le rotor

La frquence de rotation du rotor est appele n, il tourne moins vite que le champ tournant dustator, l'enroulement rotorique n'est reli aucune source extrieure. Les seuls courants qui le

traversent sont les courants de Foucault induits par la rotation du champ statorique.

Rotor cage d'cureuil :

Il est constitu de barres mtalliques identiques dont les extrmits sont runies entre elles pardes couronnes mtalliques peu rsistives. L'ensemble prsente une rsistance lectrique trsfaible, on dit que le rotor est en court-circuit.

Rotor bobin :

Les tles de ce rotor sont munies d'encoches o sont placs des conducteurs formant unbobinage le plus souvent triphas, trois bagues et trois balais sont prvus pour accder cesenroulements, permettant de modifier certaines des caractristiques lectriques du circuitrotorique.
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. c Association entre le rotor et le stator

Si la frquence des tensions dalimentation est gale 50 Hz, la relation entre ns en tours parminute, et p le nombre de paires de ples peut scrire :

ns= ns La frquence de rotation du champ en tours par minute [tr.min-1]

Sachant que, n, la frquence du rotor, donc du moteur, est trs lgrement infrieure celle duchamp tournant, ns, la relation ci-dessus permet de donner trs rapidement le nombre de pairesde ples ainsi que la frquence de synchronisme lorsque la frquence de rotation du moteur estconnue, en compltant le tableau suivant.

La frquence de rotation du moteur est de 980 tr.min-1, la frquence du rseau est de 50 Hz,

ainsi :

1 2 3 4...ns [tr.min

-1] 3000 1500 1000 750

Dans lexemple propos, la frquence de synchronisme est de 1000 tr.min-1 et le nombre de plesest de 6.

Un tableau du mme genre peut tre adapt avec une quelconque frquence du rseau.

.d Le Symbole

. e Le glissement

Le rotor tourne la frquence de rotation n, il tourne moins vite que le champ tournant qui luitourne la frquence de rotation ns. La diffrencen entre ces deux frquences de rotation estdonne par la relation :

n La frquence de rotation du glissement en tours par seconde [tr.s-1]

n = ns- n ns La frquence de rotation du champ en tours par seconde [tr.s-1]

n La frquence de rotation du rotor en tours par seconde [tr.s-1]

On appelle glissement d'un moteur asynchrone le rapport de la frquence de glissement lafrquence de synchronisme :

g Le glissement du moteur asynchrone en pourcentage [sans units]

g = ns La frquence de rotation du champ en tours par seconde [tr.s-1]

n La frquence de rotation du rotor en tours par seconde [tr.s-1]


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. II La plaque signaltique Le couplage

Sur la plaque signaltique dun moteur asynchrone, deux tensions sont indiques, par exemple 230V et 4OO V.

Seule la plus petite des deux tensions est prendre en considration pour le couplage, elle doittre applique aux bornes dun enroulement.

Pour vrifier que cette tension est bien applique sur un enroulement, le rseau doit tre connuet reprsent ainsi que les couplages possibles. Un seul sera retenu.

Cest donc partir des deux informations suivantes que le couplage peut tre dtermin :

La plus petite des deux tensions, elle figure sur la plaque signaltique du moteur. La nature du rseau, valeur de la tension simple, et celle de la tension compose.

Pour le rseau :

Si deux tensions sont mentionnes, il sagit des valeurs efficaces V de la tension simple v (t)et U de la tension compose u (t).

Si une seule tension est indique il sagit de la valeur efficace U de la tension compose u(t).

La valeur efficace V de la tension simple v (t) est mesure entre une phase et le neutre, lavaleur efficace U de la tension compose u (t) est value entre deux phases.

La relation entre les valeurs efficaces de ces deux tensions est :

U La valeur efficace de la tension compose u (t) en volts [V]

V La valeur efficace de la tension simple v (t) en volts [V]

. a Le couplage en toile


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Couplage en toile Cblage du stator

Dans un couplage en toile, chaque enroulement est soumis la tension simple v (t), tension entrephase et neutre. Chaque enroulement est travers par le courant de ligne i (t).

. b Le couplage en triangle

Couplage en triangle Cblage du stator

Dans un couplage en triangle, chaque enroulement est soumis la tension compose, u (t), tensionentre deux phases. Chaque enroulement est travers par le courant j(t) de valeur efficace J, cecourant na de raison dtre que pour ce type de couplage.

La relation entre les valeurs efficaces de ces deux courants est :

I La valeur efficace du courant de ligne i (t) en ampres [A]

J La valeur efficace du courant j (t) dans un enroulement dans le casDun couplage en triangle, en ampres [A]

. III La mesure de la puissance absorbe

Cette mthode reste identique que le couplage soit en toile ou en triangle, il utilise deuxwattmtres numriques qui doivent tre branchs comme suit :


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Pour cette mesure le fil de neutre nest jamais utilis.

Le premier wattmtre W1indique une grandeur P1

Le second wattmtre W2 indique une grandeur P2

. a La puissance active

La puissance active P absorbe par le moteur se calcule partir des informations deswattmtres, en utilisant la relation suivante :

P La puissance active absorbe en watts [W]P = P1+ P2 P1 La lecture du premier wattmtre [sans units]

P2 La lecture du second wattmtre [sans units]

P1 et P2 sont les lectures des deux wattmtres, elles sont soit positives soit ngatives. Sachantque la puissance absorbe P est une puissance active, elle est ncessairement positive. Il estdonc indispensable de donner P1 la valeur positive correspondant la plus grande des deuxindications en valeurs absolues. La valeur prise par P2 sera lindication de lautre wattmtre,affubl du signe plus si les deux grandeurs taient de mme signe et du signe moins dansle cas contraire.

. b La puissance ractive

La puissance ractive Q absorbe par le moteur se calcule partir des informations deswattmtres, en utilisant la relation suivante :

Q La puissance ractive absorbe en V.A.R [vars]

Q = P1 La lecture du premier wattmtre [sans units]P2 La lecture du second wattmtre [sans units]

V.A.R : Volts ampres ractifs

. c La puissance apparente

La puissance apparente du moteur peut se dduire des deux calculs prcdents par la relation :

S La puissance apparente du moteur en V.A [VA]

S = P La puissance active absorbe en watts [W]Q La puissance ractive absorbe en V.A.R [vars]

V.A.R : Volts ampres ractifs

. d Le facteur de puissance

Le facteur de puissance peut se dduire des deux calculs prcdents par la relation :


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Cos =

. IV Le bilan des puissances

Le bilan des puissances dcline toutes les puissances, depuis la puissance absorbe doriginelectrique jusqu la puissance utile de nature mcanique.

Le bilan, peut tre rsum laide schma suivant :

Bilan des puissances dun moteur asynchrone

Toutes les puissances mises en jeu dans ce bilan peuvent tre calcules partir des relationsqui suivent.

STATOR

P La puissance lectrique absorbe en watts [W]

P = U La tension entre deux phases en volts [V]

I Lintensit du courant de ligne en ampres [A] Langle de dphasage entre courant et tension en degrs []

1ercas La rsistance R est donne entre deux bornes de phases


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Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]

Pjs= R La rsistance entre deux bornes de phases en ohms []I Lintensit du courant de ligne en ampres [A]

2mecas La rsistance R est celle dun enroulement

Couplage toile


Pjs= R La rsistance dun enroulement en ohms []I Lintensit du courant de ligne en ampres [A]

Couplage triangle


Pjs= R La rsistance dun enroulement en ohms []J Lintensit du courant dans un enroulement en ampres [A]

Pfs Les pertes dans le fer du stator en watts [W]Les pertes magntiques, dans les tles de larmature du stator sontpratiquement indpendantes de la charge, elles sont lies la valeurefficace U et la frquence f de la tension compose u (t). Pour un rseaudonne, ces pertes sont considres comme constantes, elles sont donnes,ou calcules par un essai vide.

STATOR Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]P La puissance lectrique absorbe en watts [W]

Ptr= P Pjs Pfs Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]Pfs Les pertes dans le fer du stator en watts [W]

Ptr= T. s Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]T Le moment du couple transmis au rotor en Newton-mtres

[Nm]

ROTOR s La vitesse angulaire du champ en radians par seconde [rad.s-1]

Pjr Les pertes par effet Joule dans le rotor en watts [W]Pjr= g.Ptr g Le glissement du moteur asynchrone [sans units]

Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]

ROTOR

Pfr= 0 W

Pem La puissance lectromagntique en watts [W]Pem= Ptr - Pjr Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]Pjr Les pertes par effet Joule dans le rotor en watts [W]


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Pem La puissance lectromagntique en watts [W]

Pem= T. T Le moment du couple transmis au rotor en Newton-mtres[Nm]

La vitesse angulaire du rotor en radians par seconde [rad.s-1]

Pu La puissance mcanique utile sur larbre du rotor en watts [W]Pu= Tu. Tu Le moment du couple utile disponible en Newton-mtres [Nm]

La vitesse angulaire du rotor en radians par seconde [rad.s-1]

Le bilan met en vidence le fait que la puissance absorbe est obligatoirement la puissance la plusimportante, elle ne cesse de diminuer en progressant vers la puissance utile qui est videmmentla plus faible, ainsi :

Ptr= P Pjs Pfs

Pem La puissance lectromagntique en watts [W]

Pem= Ptr - Pjr Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]Pjr Les pertes par effet Joule dans le rotor en watts [W]

Pu La puissance utile en watts [W]Pu= Pem Pmca Pem La puissance lectromagntique en watts [W]

Pmca Les pertes mcaniques dans le rotor en watts [W]

Pu= P Pjs Pfs - Pjr Pmca

Les pertes magntiques dues l'hystrsis et aux courants de Foucault se produisentuniquement dans les tles du stator.

Les pertes mcaniques dues aux frottements se situent au niveau des paliers du rotor.

Le rendement est le rapport entre la puissance mcanique utile et la puissance lectriqueabsorbe par, do :


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. V Lessai vide

Nous dirons que le moteur fonctionne vide sil nentrane aucune charge sur son arbre.Lindice o caractrise cet essai. Le couple utile Tuo= 0 Nm

La frquence de rotation du rotor est note no, elle est considre comme identique lafrquence de rotation nsdu champ tournant Les frquences de rotation no= ns

Toutes les puissances mises en jeu dans le bilan des puissances peuvent tre recalcules dans lecas de lessai vide en tenant compte des deux relations prcdentes.

Puissance absorbe vide vide

Po=

Pertes par effet Joule dans le stator

Si la rsistance R est donne entre deux bornes de phases

Pjso=

Si la rsistance R est la rsistance dun enroulement avec un couplage en toile

Pjs Les pertes par effet Joule vide dans le stator en watts [W]

Pjso= R La rsistance dun enroulement en ohms []I Lintensit du courant de ligne vide en ampres [A]

Si la rsistance R est la rsistance dun enroulement avec un couplage en triangle

Pjso Les pertes par effet Joule vide dans le stator en watts [W]

Pjso= R La rsistance dun enroulement en ohms []J Lintensit du courant dans un enroulement vide en ampres [A]

Pertes magntiques dans le stator vide

Pfs

Puissance transmise au rotor vide


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Ptro La puissance transmise vide au rotor en watts [W]Ptro= Po Pjso Pfs Po La puissance lectrique absorbe vide en watts [W]

Pjso Les pertes par effet Joule vide dans le stator en watts [W]Pfs Les pertes dans le fer du stator en watts [W]

Les pertes par effet joule vide dans le rotor

no= ns

On rappelle que le glissement vide d'un moteur asynchrone est donn par la relation :

go= go Le glissement du moteur vide en pourcentage [sans units]

Les deux relations prcdentes donnent :

go = 0 % Le glissement du moteur vide est nul

Sachant que :

Pjro= go.Ptro

Pjro= 0 W Les pertes par effet joule vide dans le rotor sont nulles

Les pertes mcaniques dans le stator vide

Pmca

La puissance utile vide

Pu= Tu.

Sachant que :

go = 0 % Le glissement du moteur vide est nul

Puo= 0 W La puissance utile vide est nulle

Le bilan des puissances complet donne :


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Po= Pjso Pfs - Pmca

La puissance absorbe vide se mesure aisment avec la mthode des deux wattmtres,Connaissant la rsistance des enroulements du stator, les pertes par effet Joule vide sontfacilement calculables. La diffrence entre la puissance absorbe et la puissance perdue pareffet Joule, donne les deux puissances restantes, c'est--dire les pertes magntiques au niveaudu stator et les pertes mcaniques.

Plusieurs tudes sont possibles :

Soient les pertes magntiques dans le stator sont donnes, nous calculons alors lapuissance absorbe, les pertes par effet joule dans le stator et nous en dduisons lespertes mcaniques.

Soient les pertes mcaniques sont donnes, nous calculons la puissance absorbe, lespertes par effet joule dans le stator et nous en dduisons les pertes magntiques dans lestator.

Soit, le cas le plus frquent, il est prcis que les pertes mcaniques et les pertesmagntiques dans le stator sont gales, nous calculons alors la puissance absorbe, lespertes par effet joule dans le stator et nous en dduisons les pertes mcaniques ainsi queles pertes magntiques dans le stator.

. VI Lessai en charge

. a Le point de fonctionnement

Le moteur est maintenant charg, c'est--dire que larbre de ce dernier entrane une chargersistante qui soppose au mouvement du rotor.En rgime permanent, ou rgime tabli, le couple utile Tu dlivr par le moteur est gal au couplersistant TRque lui oppose la charge mcanique :

En rgime permanent :

Tu= TR


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Sur sa partie utile, la caractristique mcanique est un segment de droite. Pour la tracer, ilsuffit de deux points. Le premier est gnralement donn par ltude dun cas prcis, le secondse dduit de lessai vide. Dans cet essai, le couple utile est nul, il est associ une frquence derotation considre comme gale celle du synchronisme, no= ns.Le moment du couple utile Tu en fonction de la frquence de rotation en tours par minute est la

suivante

Tu = f (n)

Le point de fonctionnement se trouve sur lintersection de la caractristique mcanique dumoteur et de la courbe qui caractrise le couple rsistant de la charge.

Evaluation graphique du point de fonctionnement

Le point de fonctionnement (Tu ; n) permet de calculer trs facilement le glissement et lapuissance utile dans ce cas bien prcis.

. b Le fonctionnement V/f constant

Si les proprits lectriques de lalimentation du moteur sont telles que le rapport entre la valeur

efficace et la frquence f de la tension v (t) reste constant = Constante, le moment du couplemagntique Tem ne dpend que de la diffrence entre les frquences de rotation ns et n. Dans cecas, toutes les caractristiques mcaniques sont parallles les unes avec les autres.


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. c Le fonctionnement V/f constant et couple rsistant constant

En traant successivement les diffrentes caractristiques toutes parallles entre elles, il estpossible de trouver la frquence minimale qui permet le dmarrage du moteur lorsque le couplersistant qui soppose au couple utile du moteur est fix, en utilisant la relation :

fmin=nsmin . p

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