1°) Constitution
Ces moteurs sont robustes, faciles à construire et peu coûteux. Ils sont intéressants, lorsque la vitesse du dispositif à entraîner n'a pas à être rigoureusement constante.
1.1) Stator ( inducteur )
Il est identique à celui d'une machine synchrone
alimentée par des courants triphasés de fréquence f; il produit un champ magnétique tournant à la fréquence de rotation:
ns en tr.s-1, ns = f / p f en Hz,
p nombre de paires de pôles.
Les enroulements du stator sont prévus pour être couplés, soit en étoile, soit en triangle. Le couplage des enroulements dépendra de la tension nominale par phase prévue pour le moteur et du réseau dont on dispose.
Exemple: pour une tension nominale de 230 V supportable par un enroulement, il faut sur un réseau 230V / 400 V faire un couplage ,
et sur un réseau 133V / 230V faire un couplage . 1.2) Rotor
1.2.1) Rotor en cage d'écureuil
Il porte un système de barres conductrices très souvent en aluminium, logées dans un empilement de tôles. Les extrémités de ces barres sont réunies par des couronnes également conductrices. On dit que le rotor est en court- circuit. L'ensemble n'est parcouru que par les courants de Foucault induits par la rotation du champ statorique.
1.2.2) Rotor bobiné
Les tôles de ce rotor sont munies d'encoches, où sont placés des conducteurs formant un enroulement triphasé. Trois bagues et trois balais sont prévus pour accéder à ces enroulements rotoriques. Ce dispositif permet de modifier les propriétés électromécaniques du moteur asynchrone.
1.3) Symbole
moteur à rotor bobiné moteur à rotor en cage d'écureuil
MAS 3 ~
MAS 3 ~
Type de moteur utilisé pour de petites et moyennes puissances fonctionnant sous basse tension
1.4) Plaque signalétique
V : tension nominale que peut supporter un enroulement.
Si la tension composée du réseau est de V, couplage triangle, le courant en ligne sera I = A alors.
Si la tension composée du réseau est de V, couplage étoile, le courant en ligne sera I = A.
Fréquence du réseau : Hz Puissance utile : W
Fréquence de rotation: tr.min-1 Facteur de puissance:
2°) Principe de fonctionnement
2.1) Explications
Dans le chapitre sur les champs tournants, nous avons vu qu'un champ tournant produisait la rotation d'un disque métallique et que ce dernier tournait à une vitesse inférieure à celle du champ statorique.
Les bobines du stator, parcourues par des courants triphasés, produisent un champ
magnétique tournant avec une vitesse angulaire Ωs, dans l'entrefer et à la périphérie du rotor.
En régime établi, le rotor de la machine tourne à la vitesse angulaire Ω inférieure à Ωs. Les conducteurs du rotor sont alors soumis à un champ magnétique variable , qui tourne par rapport à eux-mêmes à la vitesse angulaire ( Ωs − Ω ). Il en résulte l'induction de f.e.m dans ces conducteurs. Ceux-ci faisant partie de circuits fermés, des courants induits de même pulsation circulent dans ces conducteurs rotoriques.
Si le moteur comporte p paires de pôles, la pulsation des f.e.m induites et des courants rotoriques induits est : ωr = p (Ωs − Ω ).
Le champ résultant rotorique tourne par rapport au rotor à la vitesse angulaire Ωr = Ωs − Ω.
Puisque le rotor tourne à la vitesse Ω, ce même champ rotorique tourne donc par rapport au stator à la vitesse angulaire Ωr + Ω = Ωs.
Le champ statorique et rotorique sont deux champs synchrones, ils se composent pour former un champ unique à répartition sinusoïdale.
2.2) Vitesse de synchronisme
Le moteur asynchrone triphasé démarre seul et il prend rapidement sa vitesse de régime en charge comme à vide. Sa fréquence de rotation n est proche de la fréquence de rotation de synchronisme ns, mais toujours inférieure, elle diminue peu entre la marche à vide et en charge.
Un observateur, tournant avec le champ tournant résultant, verrait le rotor tourner à l'envers à vitesse très réduite. Le rotor glisse par rapport au champ ( impression donnée quand le train dans lequel on se trouve en double un autre ).
La vitesse angulaire relative du champ tournant résultant par rapport au rotor correspond à la vitesse angulaire de glissement Ωg = Ωs − Ω.
∆ 220 V 50 1440 0,3 0,66 1,75A
Y 380 V 1 A
2.3) Glissement
On appelle glissement le rapport de la fréquence ( vitesse ) de rotation de glissement à la fréquence ( vitesse ) de rotation de synchronisme.
g=ng
ns=ns−n
ns ou g =
On peut, dans le cas d'un rotor bobiné accéder à la fréquence de rotation de glissement par l'intermédiaire de la fréquence des courants rotoriques.
3°) Bilan de puissance
3.1) Au stator
Puissance absorbée:
Pertes par effet Joule statoriques:
.
Avec r résistance mesurée entre deux bornes de phases statoriques.
Pertes magnétiques ou dans le fer au stator : Pfs elles sont indépendantes de la charge, et sont liées à U et f de la tension d'alimentation. On peut admettre qu'elles sont proportionnelles à U2.
Puissance transmise au rotor:
Moment du couple électromagnétique:
3.2) Au rotor
La puissance transmise au rotor est convertie d'une part en puissance mécanique et d'autre part en pertes.
Puissance mécanique: Le couple électromagnétique de moment Tem entraîne le rotor à la vitesse angulaire Ω.
Pertes magnétiques ou dans le fer au rotor : Les courants induits ayant une pulsation ωr = p (Ωs − Ω ), on a donc fr = p ( ns - n) = p.g.ns = g.f. Le glissement en marche normale étant faible et les pertes dans le fer étant proportionnelles à la fréquence, ici fr, qui est très faible on pourra les négliger.
Pertes par effet Joule au rotor: PJr =
Pertes mécaniques: Pm, elles dépendent de la vitesse de rotation.
Puissance utile: Pu =
3.3)Récapitulatif
3.4) Rendement
Expression approchée du rendement ( à la puissance nominale, les pertes autres que PJr peuvent être négligées).
Pu = PM = Pa - PJr = Ptr - PJr = ( 1 - g ) Ptr
Pa = Ptr
Le rendement devient alors égale à ( 1- g ).
4°) Caractéristiques
4.1) Caractéristique électromécanique Tu = f ( n )
Durant le fonctionnement normal ( partie linéaire de la caractéristique ), la
fréquence de rotation est très proche de la fréquence de synchronisme.
Sous tension et fréquence constantes, au voisinage du synchronisme, pour un
fonctionnement autour de la valeur nominale, le moment du couple utile est proportionnel au glissement. Tu = k g avec k = cste.
A fréquence constante, le moment du couple utile est proportionnel à U2. Tu = k'.U2. 4.1.1) Démarrage du moteur
Le moment du couple de démarrage sous tension nominale est très important. Au démarrage, le moment du couple moteur est, dans les conditions habituelles d'utilisation, très supérieur au moment du couple résistant. L'accélération est donc brutale et le courant appelé est susceptible d'être important.
Ce phénomène risque d'être dommageable pour des moteurs de puissance d'environ la dizaine de kilowatts. On peut y remédier en effectuant un démarrage sous plus faible tension aux bornes de chaque enroulement ( couplage en étoile ), après le démarrage repasser en couplage
Tu (Nm)
n ( tr.min-1 ) ns
Tud
U = Cste f = Cste
P: point de fonctionnement Trd
Tr ( n )
4.1.2) Point de fonctionnement
Le point de fonctionnement correspond au point d'intersection de la
caractéristique mécanique de la charge entraînée par le moteur Tr ( n ) avec la caractéristique électromécanique du moteur Tu ( n ).
4.2) Caractéristique I = f ( n )
L'intensité du courant, non négligeable à vide, augmente avec le glissement et donc avec le moment du couple résistant.
5°) Alimentation par un onduleur
Chaque phase du stator, alimentée par une tension de valeur efficace U, si le stator est couplé en triangle, et de fréquence f, contribue à créer le champ magnétique tournant à la fréquence de synchronisme. Chaque phase du rotor est alors le siège de courants induits, donc d'une f.e.m induite, par la rotation du champ.
On peut donc assimiler une phase du stator et la phase correspondante du rotor à un transformateur monophasé parfait dont le secondaire est en court-circuit.
Au stator, comportant N spire par phase, écrivons la formule de Boucherot : U = 4,44 N.f.Φmax. Par conséquent
.
Pour que le flux reste constant, lorsque la fréquence varie, il faut que le rapport U/f soit constant.
I ( A )
n ( tr.min-1 ) ns
U = Cste f = Cste
