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L’entraînement des systèmes industriels est assuré à une très grande majorité par des moteurs asynchrones triphasés car par rapport à d’autres moteurs électriques ou non, il est peu onéreux, robuste et son entretien est simple. Il est nommé Induction motor en anglais. On attribue généralement la paternité de ce système à Nikola Tesla.

I - Principe et constitution Si l’on fait tourner un aimant autour d’un axe xy, un disque d’un conducteur tel que du cuivre, et que celui-ci est libre en rotation et placé sur le même axe se met à tourner, mais moins vite que l’aimant.

II - Champ tournant statorique Un aimant en rotation produit un champ tournant. Ce champ tournant est, dans un moteur, réalisé par 3 bobines ou enroulements, fixées à la partie statique du moteur appelée stator :

- décalées physiquement de 120° ou 2π/3 radians, - alimentées par 3 tensions alternatives temporellement

déphasées de 2π/3. Ces tensions constituent un système triphasé de tensions alternatives qui génère, au travers des enroulements, un champ magnétique en rotation. Si la fréquence des tensions alternatives est égale à 50 Hz, le champ tournant accomplit 50 tours en 1 seconde, soit 3000 tours par minute. Cette vitesse est appelée vitesse du champ statorique ou encore vitesse de synchronisme. Si l’on inverse 2 tensions (par exemple, V2 pour l’enroulement 3 et V3 pour l’enroulement 2), le champ tourne dans l’autre sens. C’est ainsi que l’on change le sens de rotation du moteur.

Le moteur asynchrone triphasé

A2 - ANALYSER Identifier les composants réalisant la fonction Convertir

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III - Le rotor

Le disque en cuivre visible sur la deuxième illustration, est, dans un moteur, constitué de barres dont les extrémités sont reliées entre elles pour former une « cage d’écureuil », solidaire de l’arbre. C’est donc la partie tournante du moteur, ou rotor. Remarque : Il existe également des rotors bobinés (« à bagues »), nécessitant un

équipement de démarrage particulier. Nous ne les étudierons pas ici.

IV - Fréquence de rotation du champ statorique La vitesse de synchronisme Ns est liée au nombre p de paires de pôles par phase et à la fréquence F du réseau triphasé d’alimentation :

𝑵𝒔 =𝑭

𝒑

F : Fréquence en Hertz des tensions appliquées aux bornes du moteur (ex : réseau Enedis : F= 50Hz) P : Nbre de paires de pôles /phase (ex : P=2 pour 4 paires de pôles) Ns : fréquence de rotation en tr/s (ω = 2 π N = 2 π F/P en rad/s) Ex : Alimenté en courant alternatif 50 Hz, un moteur à 4 pôles par phase aura une vitesse de synchronisme de 1500 tr/min.

V - Fréquence de rotation du moteur et glissement La fréquence de rotation du rotor d’un moteur asynchrone Nr est toujours légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme Ns. La « perte de vitesse » entre stator (Ns) et rotor (Nr) est exprimée en % par le glissement G : En fonctionnement normal (vitesse et couple nominaux), le glissement ne vaut que quelques %. On peut alors confondre la vitesse du moteur et la vitesse de synchronisme. Ex : Pour Ns = 3000 trs/min, on aura par exemple Nr = 2950 trs/min.

VI - Les variateurs de vitesse Pour faire varier la vitesse d’un moteur asynchrone, il faut faire varier la fréquence des tensions d’alimentation triphasées. L’électronique permet maintenant de faire cela ; pour cela il faut agir sur la fréquence de rotation du champ magnétique et donc sur la fréquence du courant d’alimentation. Le convertisseur de fréquence produit une tension alternative de fréquence variable, la vitesse du moteur est alors proportionnelle à cette fréquence.

𝑮 =𝑵𝒔 − 𝑵𝒓

𝑵𝒔

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Les variateurs permettent : - une gamme de vitesse 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, - 2 sens de rotation

VII – Puissances

VIII – Couplage

Les enroulements des moteurs triphasés peuvent être couplés en triangle (Δ) ou en

étoile (Y). Pour cela on dispose des barrettes de cuivres sur la plaque à bornes du moteur.

Couplage étoile : les barres de cuivres Couplage triangle : les barres de cuivres forment le point central sont « chacune dans leur coin »

Puissance absorbée :

Pa = 3.V.J.cos = .U.I.cos

Il s’agit de la somme des 3 puissances absorbées par les 3 enroulements.

- V = tension aux bornes d’un enroulement ; - J = courant dans un enroulement ; - U = tension entre phases du réseau ; - I = courant dans une phase ;

- = déphasage entre V et J ou entre U et I.

Puissance utile :

Pu = C.ω

C = couple sur l’arbre en N.m

ω = vitesse en rad/s.

Vo

ir «

VII

- C

ou

pla

ge »

Rendement :

= Pu / Pa

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Cela permet d’utiliser le moteur certes, sous deux tensions différentes, mais surtout de le faire démarrer plus facilement malgré une charge importante simplement et sans électronique. Cela au moyen du démarrage étoile – triangle : Pour éviter un courant trop fort au démarrage :

- 1/ on démarre en étoile, Chaque enroulement est sous tension réduite ;

- 2/ on passe en étoile après quelques secondes pour atteindre le fonctionnement nominal. Chaque enroulement est sous tension composée.

Sur la plaque signalétique d’un moteur figurent les valeurs correspondant au point de fonctionnement nominal du moteur. En particulier apparaissent les tensions sous lesquelles peut être alimenté le moteur selon son couplage.

Ex : « 230 / 400 V » signifie que le moteur peut être branché en Δ sur un réseau de tensions délivrant U =

230V entre phases, et en Y sur un réseau délivrant U =400V entre phases.

IX - point de fonctionnement Le point de fonctionnement N est le point où le couple utile égale le couple résistant. Pour la figure ci-contre :

- Tm : couple moteur utile - Tr : couple résistant - nn : vitesse nominale - ns : vitesse de synchronisme

X - Exercices La plaque signalétique d'un moteur asynchrone triphasé indique 230/400 V, 50 Hz, son facteur de puissance

cos = 0,844, sa puissance Pu = 4,5 kW, sa fréquence de rotation est n = 1450 min-1, son rendement η est de 90 %. 1) Le réseau d'alimentation est de 400 V entre phases. Déterminer son couplage. 2) Calculer son nombre de paires de pôles (p). 3) Calculer sa puissance électrique absorbée (Pa). 4) Calculer son courant en ligne (I) pour une puissance absorbée de 5 kW.

Démarrage

Accélération