Cahier N°8– V 1.1 - 2014
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8.1 Généralités
Un moteur triphasé se compose :
- D’un stator, partie fixe, constituée d’un circuit magnétique feuilleté (pour éviter les courants de Foucault) et dans lequel sont disposés des bobinages, un par phase. Ces bobinages sont alimentés par une tension triphasée.
- D’un rotor, partie tournante :
o Dans le moteur asynchrone, le rotor est constitué d’un circuit magnétique comportant un ensemble de barres conductrices en court- circuit, appelé « rotor à cage d’écureuil ». Le rotor n’est relié à aucune alimentation.
Sa simplicité de construction en fait un moteur robuste, fiable et demandant peu d’entretien. Il est largement utilisé dans l’industrie.
o Dans le moteur synchrone, le rotor est constitué d’aimants permanents ou de bobines alimentées en courant continu.
Exemple : moteur brushless, utilisé en robotique et machines outils Pour des puissances plus importantes, le rotor est bobiné et alimenté en courant continu par un collecteur à deux bagues.
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8.2 Principe de fonctionnement
Le principe des moteurs à courant alternatif réside dans l’utilisation d’un champ magnétique tournant produit par les tensions alternatives.
La circulation d’un courant dans une bobine produit une induction magnétique B. Ce champ est dans l’axe de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I. C’est une grandeur vectorielle.
Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même fréquence que le courant.
Si deux bobines sont placées à proximité l’une de l’autre, le champ magnétique résultant est la somme vectorielle des deux autres.
Dans le cas du moteur triphasé, les 3 bobines sont disposées dans le stator à 120°
les unes des autres, trois champs magnétiques sont ainsi crées, en phase avec le courant triphasé. De par la nature du système triphasé les 3 champs magnétiques évoluent sinusoïdalement et sont décalés de 120° l’un de l’autre.
Le champ créé par l’addition vectorielle des 3 champs individuels est un champ tournant à la fréquence du réseau triphasé alimentant le moteur, comme en témoigne la figure suivante :
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Convention de signe : un courant positif crée un champ dont le vecteur est dirigé vers le centre de la figure. Pour un courant négatif, le vecteur est dirigé en sens inverse.
Constatations :
Le vecteur champ résultant a une valeur constante (égale à 3.B
2 ) et a effectué pendant une période, un tour complet dans le sens anti-horaire (correspondant à l’ordre des phases de la figure précédente). On appelle fréquence de synchronisme, la fréquence de rotation du champ tournant.
Le sens de rotation du vecteur champ change si l’on inverse deux phases du réseau triphasé d’alimentation du stator, c’est un moyen simple d’inverser le sens de rotation du moteur.
8.3 Fréquence et vitesse de synchronisme
Dans notre exemple, le vecteur champ effectue une rotation complète pour une période secteur, ceci n’est valable que pour un stator bipolaire, c’est à dire possédant une paire de pôle (Nord et Sud) par phase. La fréquence du réseau d’alimentation étant de 50 Hz, le champ tourne à une vitesse de 50 t/s soit 3000 t/min.
Pour le stator à une paire de pôles, une demi période est nécessaire pour parcourir la distance séparant le pôle nord du pôle sud, le tour entier étant parcouru en une période complète, comme on l’a vu précédemment.
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Pour un moteur à deux paires de pôles par phase (figure de droite), la distance entre un Nord et un Sud est parcourue en une demi période, ce qui représente un quart de tour. Il faut donc 4 fois plus de temps, c’est-à-dire 2 périodes pour effectuer un tour complet. Dans ce cas, le champ tournera deux fois moins vite que dans l’exemple précédent pour une paire de pôles.
La vitesse synchrone Ns du champ tournant est donc proportionnelle à la fréquence f de l’alimentation et inversement proportionnelle au nombre de paires de pôles p, ce se traduit par la formule suivante :
s
N f.60
p
Avec Ns en T/min et f en Hz
Si on place un aimant droit (rotor bipolaire) au centre du stator comportant le même nombre de pôles, l’aimant tournera à la fréquence de synchronisme, ce fonctionnement est celui du moteur synchrone.
On a donc : N N s
Si on remplace l’aimant par un disque non ferromagnétique ou une cage conductrice en aluminium (équivalente à un bobinage de grosse section) celle-ci est le siège de courants de Foucault induits. Les courants circulent dans les anneaux formés par la cage, les forces de Laplace qui en résultent exercent un couple sur rotor. Selon la loi de Lenz, les courants induits créent un champ qui s’oppose au champ statorique qui lui a donné naissance. Le rotor tourne dans le même sens que le champ statorique mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme de ce dernier. Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que celle du champ statorique, sinon la cage ne serait plus balayée par le champ tournant, il y aurait disparition des courants induits, donc des forces de Laplace et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent être synchrones, d’où le nom de moteur asynchrone.
On a donc : N N s
8.4 Glissement du moteur asynchrone
On dit que le rotor « glisse » par rapport au champ tournant. Ce glissement g, va dépendre de la charge appliquée sur l’arbre moteur.
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La vitesse réelle N du moteur asynchrone diffère de la vitesse de synchronisme Ns par le glissement g exprimé en %.
s s
N N
g .100
N
Au démarrage, la vitesse réelle N est nulle, le glissement est maximum et égal à 100%, par contre le glissement est nul à la vitesse de synchronisme Ns.
8.5 Le couple moteur
Un moteur transforme une puissance électrique fournie par un réseau électrique en une puissance mécanique disponible à l’arbre du moteur sous forme d’un couple délivré à une vitesse déterminée.
Si on équipe l’arbre du moteur d’une poulie de rayon R entraînant une courroie, la force de tension disponible dans la courroie dépendra du couple nominal du moteur, suivant la formule :
Cm F.R Avec
[Cm ] = Nm – [F] = N – [R] = m
La puissance utile délivrée par le moteur s’exprime par la relation suivante :
u m
P C . Avec
[Cm] = Nm – [ω] = rad/sec – [Pu] = W
Le choix d’un moteur se fait en fonction de la charge à entraîner. Cette charge oppose au moteur un couple résistant Cr. L’allure du couple résistant en fonction de la vitesse dépendra du type de charge. Cette allure Cr.=f(N) ne sera pas la même pour un ventilateur ou un système de levage par exemple.
A partir du démarrage jusqu’au fonctionnement nominal, le couple moteur doit à tout moment rester supérieur au couple résistant imposé par la charge. Dès lors il est important de connaître à la fois l’allure du couple résistant et du couple moteur en fonction de la vitesse.
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8.6 Caractéristique Couple/Vitesse du moteur asynchrone
Si le moteur est chargé par une machine à couple proportionnel à la vitesse (pompe volumétrique par ex.), Cr. sera inférieur au couple Cd. disponible au démarrage du moteur.
Ensuite, en régime établi, le fonctionnement du moteur s’établira au point P.
Ce point de fonctionnement P est stable parce que si le couple augmente la vitesse diminue, le glissement augmente, mais le couple délivré également, stabilisant le fonctionnement sur un autre point de la courbe.
Le couple maximum Cr. est aussi appelé couple de décrochage du moteur
8.7 Bilan des puissances
o Puissance absorbée par le stator
Les 3 enroulements ou phases du stator sont rigoureusement identiques et régulièrement disposés dans le circuit magnétique, ils forment une charge triphasée équilibrée dont la puissance absorbée est donnée par la formule :
a e e
P 3.U .I .cos( )
La puissance active absorbée par le moteur (synchrone ou asynchrone) sera calculée en relevant le courant de ligne efficace et la tension de ligne efficace entre phase L1, L2, L3.
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o Bilan des pertes
o Rendement
u a
P
P
8.8 Exercice
Déterminez
Pour une alimentation à 400 V – 50 Hz
Puissance absorbée ainsi que le rendement ?
Type de moteur alternatif, nombre de paire de pôles et glissement ? Couple à l’arbre moteur ?
Pourquoi la puissance délivrée à l’arbre est-elle plus grande pour une alimentation à 60 Hz ?
