Chapitre 3 Moteurs électriques
3.4 Moteurs asynchrones
3.4.1 Généralités et utilisations
Le moteur asynchrone, appelé aussi « moteur à induction », a été inventé par Nikola Tesla vers 1890, aux USA. Sur le plan constructif, il est le plus simple des moteurs électriques, donc le plus économique à l’achat.
C’est le plus répandu du fait de sa robustesse et de sa simplicité d'utilisation. Alimenté directement par le réseau électrique triphasé, il est utilisé pour des entrainements à vitesse fixe ou, couplé à un convertisseur électronique, il fonctionne à vitesse variable ou en servomoteur. Les moteurs asynchrones sont disponibles dans une large gamme de puissances allant de 10 W à 25 MW.
À vitesse fixe, ces moteurs sont employés pour entraîner des pompes, des ventilateurs, des convoyeurs, etc.
Commandés en tout-ou-rien, leurs coûts sont particulièrement avantageux.
Figure 3-28 Convoyeur entraîné par moteurs asynchrones
(source : PLM Location (F) – www.plm-location.com/batiment.htm)
A vitesse variable ils sont utilisés pour des entraînements de machines car ils présentent un très bon rapport prix/performance. Comme moteurs de broches, ils peuvent même tourner à très grandes vitesses (jusqu’à 150'000 tr/min).
Il existe également une variante monophasée du moteur asynchrone qui est utilisée pour des entraînements de faible puissance (< 2 kW) dans l'électroménager et les techniques du bâtiment (pompes, ventilateurs).
Figure 3-29 Stockage intermédiaire de journaux et magazines par enroulement, entraînés par des moteurs asynchrones
(source : Ferag AG (CH) – www.ferag.ch)
Le moteur asynchrone est caractérisé par une construction mécanique simple et robuste :
• Le stator, semblable à celui du moteur synchrone, est constitué de tôles magnétiques empilées pour limi-ter les pertes par courants de Foucault. Alimenté en tension allimi-ternative triphasée, il crée un champ tour-nant dont la vitesse dépend de la fréquence de l’alimentation et du nombre de paires de pôles.
• Le rotor des moteurs asynchrones à cage d’écureuil est constitué d’un empilage de tôles magnétiques, découpées pour créer des encoches. Chaque encoche contient une barre conductrice, généralement en aluminium. Ces barres sont court-circuitées entre elles à chaque extrémité par un anneau de même ma-tière, formant une sorte de cage. Un tel rotor ne comporte ni aimants permanents, ni collecteur ou bagues. Les moteurs asynchrones de forte puissance ont un rotor bobiné plutôt qu’une cage. Les spires sont reliées à 3 bagues, et leur mise en court-circuit est réalisée à l’extérieur du moteur. Ce mode de faire permet la mise en série de résistances, ce qui permet d’ajuster la vitesse sans faire appel à un convertis-seur de fréquence.
Figure 3-30 Moteur asynchrone en vue ouverte
(Source : Astuces-pratiques, France - www.astuces-pratiques.fr)
3.4.2 Principe de fonctionnement
Les courants qui circulent dans les bobinages du stator d'un moteur asynchrone créent un champ magnétique tournant. La vitesse de rotation de ce champ est appelée vitesse synchrone ; elle est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation électrique du moteur, comme pour les moteurs synchrones.
Le rotor tourne à une vitesse généralement différente de celle du champ tournant. Du fait de cette différence de vitesse, le flux magnétique intercepté par le rotor varie, produisant une tension induite dans les conduc-teurs des circuits rotoriques (cage ou enroulements). Ces circuits étant en court-circuit, il y circule des cou-rants qui tendent à s'opposer à la variation de flux (loi de Lenz), donc à réduire la différence de vitesse.
L'interaction de ces courants et du champ magnétique crée un couple électromécanique Tem entrainant la rotation du moteur.
Comparé au moteur synchrone, le moteur asynchrone se différencie comme suit :
• La différence de vitesse étant particulièrement présente à l'arrêt, le moteur peut démarrer même avec une alimentation à fréquence constante.
• Tant que le moteur fournit (ou absorbe) du couple par son arbre, il doit subsister une différence de vi-tesse entre le rotor et le champ tournant. En effet si ces deux vivi-tesses étaient identiques, il n'y aurait pas de variation du flux intercepté par les enroulements du rotor, donc pas de tension induite ni de couple.
C’est pour cette raison qu’il est appelé « asynchrone ».
Figure 3-31 Principe de fonctionnement du moteur asynchrone
(source : HEIG-VD – Ch. Besson)
La Figure 3-32 montre l’allure du couple électromagnétique délivré par un moteur asynchrone alimenté à fréquence constante. Il est positif lorsque le rotor tourne plus lentement, et négatif lorsqu’il tourne plus vite.
Nous remarquons que le couple est limité, ceci étant dû à la non-linéarité des phénomènes magnétiques qui apparaissent dans le moteur, et plus particulièrement au phénomène de saturation du fer.
Définition 3.12 Le glissement s d’un moteur asynchrone exprime la différence de vitesse entre le champ tournant et le rotor, lorsqu’il est alimenté à sa tension et à sa fréquence nominale. Le glis-sement nominal est la valeur du glisglis-sement lorsqu’il est chargé à son couple nominal (ou à sa puissance nominale).
Le glissement est généralement exprimé en pourcents de la vitesse synchrone : Équation 3.30 𝑠𝑠=𝑁𝑁𝑒𝑒− 𝑁𝑁
𝑁𝑁𝑒𝑒 [%]
Les vitesses peuvent être exprimées à choix en [tr/min], en [tr/s] ou en [rad/s].
Dans certains cas, le glissement est également exprimé en unités de vitesse. Ainsi, par exemple, un moteur dont la vitesse synchrone est de 1'500 tr/min et la vitesse du rotor est de 1'455 tr/min aura un glissement de 45 tr/min.
Le glissement nominal d’un moteur asynchrone est toujours faible. Il peut être de 2% pour des très gros mo-teurs, et de 6,5% pour les plus petits.
Définition 3.13 Le couple de décrochage est le couple maximum que peut délivrer un moteur asyn-chrone, lorsqu’il est alimenté à sa tension et à sa fréquence nominale.
Le couple de décrochage d’un moteur asynchrone peut être jusqu’à 4 fois supérieur au couple nominal, en fonction de sa conception.
Définition 3.14 Le couple de démarrage est le couple que délivre un moteur asynchrone, lorsqu’il est alimenté à sa tension et à sa fréquence nominale.
Le couple de démarrage d’un moteur asynchrone peut être jusqu’à 3 fois supérieur au couple nominal, en fonction de sa conception, tout en étant inférieur au couple de décrochage.
Alimenté à tension et fréquence constantes, le moteur asynchrone fonctionne dans 3 quadrants :
• le quadrant no 1 correspond au fonctionnement normal ; le moteur transforme l’énergie électrique en énergie mécanique ; sa vitesse est comprise entre zéro et la vitesse synchrone, le couple est positif ;
• le quadrant no 4 correspond au fonctionnement en survitesse ; le moteur fonctionne en frein ou généra-teur, transformant l’énergie mécanique en énergie électrique ; la vitesse est positive, supérieur à la vi-tesse synchrone, mais le couple est négatif ;
• le quadrant no 2 correspond au fonctionnement en vitesse inverse, le moteur fonctionnant également en frein ou générateur ; la vitesse est négative et le couple est positif.
Le moteur ne peut fonctionner dans le quadrant no 3 (vitesse et couple négatifs) qu’en intervertissant 2 fils de son alimentation. Cette démarche correspond à une inversion du sens positif de rotation et de la vitesse synchrone.
3.4.3 Puissance d’un moteur asynchrone
Définition 3.15 La puissance nominale Pnom d’un moteur asynchrone est la puissance constante que le moteur peut délivrer à son arbre, lorsqu’il est alimenté à tension nominale constante, à fréquence nominale constante, et qu’il tourne donc à sa vitesse nominale constante. Il s’agit d’une valeur garantie par le fournisseur du moteur dans des conditions spécifiées (température, altitude, mode de montage, etc.).
La puissance à l’arbre est la puissance mécanique fournie par le moteur. Elle se calcule comme pour le mo-teur DC et pour le momo-teur synchrone :
Équation 3.31 𝑃𝑃𝑠𝑠𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝𝑝𝑝(𝑡𝑡) =𝛴𝛴𝑠𝑠𝑝𝑝𝑎𝑎𝑝𝑝𝑝𝑝(𝑡𝑡)∙ 𝜔𝜔(𝑡𝑡)
où 𝜔𝜔(𝑡𝑡) est la vitesse de rotation exprimée en [rad/s]
Comme les moteurs triphasés sont conçus pour charger l’alimentation de manière parfaitement équili-brée, les 3 courants efficaces sont identiques. Un tel moteur est caractérisé par la relation de puissances élec-trique (active) suivante, similaires à celles du moteur synchrone :
Équation 3.32 𝑃𝑃é𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝(𝑡𝑡) =√3·𝑈𝑈𝑝𝑝∙ 𝑖𝑖(𝑡𝑡)∙ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠[𝜑𝜑(𝑡𝑡)]
où 𝑃𝑃é𝑙𝑙𝑝𝑝𝑝𝑝(𝑡𝑡) est la puissance électrique (active) fournie au moteur,
où Uc est la tension efficace composée de l’alimentation triphasée, constante,
où 𝑖𝑖(𝑡𝑡) est le courant efficace, égale pour chacune des 3 phases, variable en fonction du couple fourni,
où 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠[𝜑𝜑(𝑡𝑡)] est le facteur de puissance qui tient compte du déphasage entre courant et tension, variable en fonction du couple fourni.
Équation 3.33 𝑃𝑃méc(𝑡𝑡) =𝛴𝛴rés(𝑡𝑡)·𝜔𝜔(𝑡𝑡)
où 𝑃𝑃méc(𝑡𝑡) est la puissance mécanique délivrée à l’arbre,
où 𝛴𝛴rés(𝑡𝑡) est le couple résistant exercé par la charge, a priori variable, où 𝜔𝜔(𝑡𝑡) est la vitesse de rotation.
Il convient de relever que le facteur de puissance d’un moteur asynchrone alimenté à tension et fréquence constantes dépend beaucoup de la charge mécanique. Un tel moteur se comporte comme une charge induc-tive, et consomme donc de l’énergie réactive. La quantité d’énergie réactive consommée ne dépend prati-quement pas de la charge mécanique. Il en résulte qu’un moteur asynchrone connecté directement au réseau industriel et surdimensionné consommera la même énergie réactive qu’à charge nominale, alors que son énergie active consommée correspondra à l’énergie mécanique effectivement délivrée. À vide, un tel moteur ne consommera presque que de l’énergie réactive, et son facteur de puissance sera proche de zéro.
Ce comportement est particulièrement défavorable dans la mesure où les pertes générées par ce moteur dans le réseau d’alimentation sont hors de proportions avec l’énergie mécanique produite. C’est la raison pour laquelle de plus en plus de moteurs asynchrones utilisés pour des installations de pompage (circulation d’eau dans les circuits de chauffage par exemple) sont maintenant alimentés par l’intermédiaire de variateurs de fréquence. Leur vitesse peut alors être ajustée au débit souhaité sans dégradation du facteur de puissance.
Les pertes de rendement dans le moteur sont provoquées, comme pour le moteur DC, par la circulation du courant électrique dans les bobinages (𝑃𝑃𝐽𝐽𝑝𝑝𝑚𝑚𝑙𝑙𝑝𝑝) et par les frottements internes (𝑃𝑃𝑓𝑓𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝.). Comme pour le moteur synchrone, il faut y ajouter les pertes fer (𝛴𝛴𝑓𝑓𝑝𝑝𝑝𝑝), dues aux champs magnétiques qui, au stator, fluctuent à la fréquence de l’alimentation triphasée.
Dans un moteur asynchrone, les pertes ohmiques et les pertes fer se manifestent aussi dans le rotor, contrai-rement au moteur synchrone. Les pertes ohmiques du rotor sont dues à la circulation des courants induits qui circulent dans les « barreaux » de la « cage d’écureuil ». Les pertes fer au rotor sont dues au fait que ces cou-rants induits sont alternatifs, à une fréquence proportionnelle au glissement s du moteur. Ces pertes qui appa-raissent au rotor causent des échauffements qui sont transmis par conduction aux masses en mouvement, provoquant des dilatations thermiques qui peuvent dégrader la précision de la machine.
3.4.4 Démarrage d’un moteur asynchrone
L’un des avantages du moteur asynchrone est que, contrairement au moteur synchrone, il est en mesure de démarrer s’il est alimenté directement par une alimentation triphasée, comme la Figure 3-32 le montre. Il y a cependant une condition à remplir : la caractéristique vitesse-couple du moteur doit en permanence être supé-rieure à celle de la charge. C’est toujours le cas avec une charge à couple croissant avec la vitesse (Figure 1-18). C’est parfois le cas avec une charge à couple constant (Figure 1-17). C’est plus rarement le cas avec une charge à puissance constante (Figure 1-19).
Par contre, dans tous les cas, un moteur asynchrone connecté soudainement à une alimentation triphasée provoquera un « appel de courant » important. Le courant de démarrage atteint 2 à 10 fois le courant nomi-nal. Cet appel est dû essentiellement à l’énergie réactive nécessaire pour activer les circuits magnétiques, et peut provoquer des perturbations aux autres appareils connectés à la même alimentation.
Pour cette raison, et surtout pour les moteurs asynchrones de plus de ~800 W, il est nécessaire de prendre des dispositions pour diminuer ces appels de courant. Bien évidemment, si le moteur est alimenté par le biais d’un convertisseur électronique (démarreur électronique, variateur de fréquence, etc.), la réduction du cou-rant de démarrage est automatique.
En l’absence de convertisseur, une autre possibilité consiste à enclencher le moteur asynchrone en deux temps. Cette méthode est appelée démarrage étoile-triangle. Elle consiste à modifier la connexion interne des 3 phases statoriques du moteur. Au lieu de les laisser connectée en triangle comme c’est toujours le cas, il s’agit de les connecter en triangle à l’aide de contacteurs externes, comme indiqué à la Figure 3-33. Les phases du moteurs sont ainsi alimentées non pas à la tension composée (entre paires de phases), mais bien à la tension simple (entre phases et neutre). La tension appliquée ainsi au moteur pendant son démarrage est réduite d’un facteur √3, ce qui réduit la puissance consommée d’un facteur 3. Cela revient à diviser par 3 le courant de démarrage pendant un 1er temps, jusqu’à ce que la vitesse du moteur atteigne approximativement sa valeur nominale. À ce moment, le couplage du moteur en triangle est rétabli, ce qui permet de l’utiliser à son régime nominal.
Figure 3-33 Circuit de démarrage étoile-triangle pour un moteur asynchrone. Le contac-teur du bas connecte les phases en étoile ; celui de droite permet de les con-necter en triangle ; celui du haut permet d’activer ou désactiver totalement le moteur. Bien évidemment, il faut éviter de fermer tous les contacteurs en même temps !
Attention : Pendant la 1ère phase de démarrage, lorsque le moteur est connecté en étoile, le couple qu’il délivre est également divisé par 3. Cette manière de faire n’est donc utilisable que si la caractéristique de la charge est à couple croissant avec la vitesse, ou si d’autres mesures sont prises pour que le moteur puisse démarrer sans devoir fournir son couple nominal (démarrage d’une pompe avec un bypass, par exemple).
3.4.5 Moteur asynchrone en régime de survitesse
Alimenté par un variateur de fréquence ou par d’autres convertisseurs, le moteur asynchrone peut fonction-ner à des fréquences supérieures à sa fréquence nominale. Sa vitesse synchrone peut être augmentée jusqu’à 8 fois sa valeur nominale. Ce faisant, sa vitesse d’utilisation peut être augmentée dans la même proportion.
Ainsi, un moteur asynchrone à 2 paires de pôles, dont la vitesse synchrone nominale est de 1'500 tr/min, peut atteindre jusqu’à 12'000 tr/min.
Toutefois, les bobinages statoriques d’un moteur asynchrone sont dimensionnés pour supporter en perma-nence son courant nominal, et celui-ci ne peut donc pas être dépassé sans risques de destruction. Par ailleurs, la tension d’alimentation (par exemple 400 V triphasé) ne peut pas être augmentée. Il en résulte que la puis-sance électrique fournie ne peut pas dépasser la puispuis-sance nominale. De ce fait, si le rotor du moteur tourne plus vite, le couple fournit ne peut que diminuer dans la même proportion. C’est par définition une caracté-ristique à puissance constante.
Figure 3-34 Caractéristique à puissance constante d’un moteur asynchrone alimenté par un variateur de fréquence.
La limite de fonctionnement à puissance constante est la suivante : Équation 3.34 𝛴𝛴𝑒𝑒𝑚𝑚𝑝𝑝𝑞𝑞𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒𝑒𝑒𝑝𝑝∙ 𝜔𝜔𝑒𝑒𝑚𝑚𝑝𝑝𝑞𝑞𝑠𝑠𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒𝑒𝑒𝑝𝑝<𝛴𝛴𝑠𝑠𝑝𝑝𝑚𝑚∙ 𝜔𝜔𝑠𝑠𝑝𝑝𝑚𝑚
Remarques : A vitesse inférieure à la vitesse nominale, le moteur ne peut en aucun cas délivrer en permanence un couple supérieur à sa puissance nominale.
La survitesse max. qui peut être atteinte dépend du moteur (en particulier de sa capaci-té à résister aux grandes forces centrifuges), mais aussi du variateur (sa fréquence max. de sortie dépend de sa conception et n’est pas illimitée).
Comme nous le verrons au chapitre 3.8.2, le moteur asynchrone peut délivre briève-ment un couple supérieur à son couple nominal, sans dépasser toutefois sa limite de décrochement.
Le fait d’augmenter la fréquence d’alimentation d’un moteur asynchrone au-delà de sa fréquence nominale, sans augmenter simultanément la tension d’alimentation, revient à réduire le courant réactif qu’il consomme.
C’est le comportement typique d’une inductance, dont le courant est inversement proportionnel à la fré-quence d’alimentation. De ce fait, utiliser un moteur asynchrone en survitesse revient à réduire son flux ma-gnétique. Nous retrouvons un comportement similaire à celui du moteur DC à excitation séparée utilisé en affaiblissement de champ, vu au chapitre 3.2.6.
L’utilisation du moteur asynchrone en survitesse est particulièrement attrayante pour les charges dont la ca-ractéristique est à puissance constante, dont les machines à enrouler/dérouler et les broches de machines-outils en particulier.