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Machines asynchrones triphasées

Généralités

Les machines asynchrones triphasées encore appelées moteurs à induction, sont les plus utilisées dans l’industrie, ils sont peux coûteux, on les fabriquent en grande série. Ils sont sûrs, son fonctionnement ne génère pas d’étincelle comme c’est le cas pour un moteur à courant continu. Ce type de moteur équipe la quasi totalité des machines outils classiques.


Constitution d’une machine asynchrone triphasée

Le moteur asynchrone comprend 2 parties:

  • Un inducteur fixe appelé stator
  • Un induit mobile appelé rotor

Le circuit magnétique de chacun des deux parties est formé de tôle d’épaisseur entre 0,35mm à 0,5mm et ces tôles sont en acier au silicium. Ils comportent des encoches où sont logés les enroulements.

Le stator

Il comporte 3 enroulements (un par phase). Les entrées et les sorties des phases aboutissent à une plage à borne facilitant ainsi le couplage des enroulements.

Le rotor

On distingue deux types de rotor.

Le rotor à cage d’écureuil

Il est appelé rotor en court-circuit, il est constitué des barres conductrices traversant l’empilement des tôles du rotor parallèles ou non à l’axe du rotor et court-circuité aux deux extrémités par les anneaux conducteurs de faible résistance par induction.

Le rotor bobiné

Il est encore appelé rotor à bague, il porte un bobinage triphasé équilibré de nombre de pôle que le bobinage du stator. Les 3 enroulements sont utilisés à 3 bagues sur lesquels frottent les ballais.


Principe de fonctionnement

L’alimentation des enroulements du stator crée un champ tournant de vitesse de rotation ns=f/p, avec:

  • ns: vitesse de synchronisation en tour par seconde.
  • f: fréquence du réseau d’alimentation en hertz.
  • P: nombre de paire de pôle créé par le stator.

Il en résulte un couple qui fait tourner le rotor dans le même sens que le champ tournant, mais à une vitesse de rotation inférieure à la vitesse de synchronisme. n<ns
La vitesse angulaire correspondante est en radian par seconde t elle se note r=2πn=2πf/p=ω/P

Notion de glissement

Comme n<ns, un observateur entraîné par le champ tournant du stator verrait le moteur tourner à l’envers à une vitesse réduite. Le rotor glisse par rapport au champ à l’opposé le champ glisse par rapport au rotor: rg=rr=r
rg: vitesse angulaire de glissement.
On définit donc la vitesse angulaire de glissement comme la vitesse relative du champ par rapport au rotor.

La fréquence de glissement

C’est la fréquence relative du champ par rapport au rotor ng=ns-n

Glissement

C’est le rapport de la fréquence (ou de la vitesse) de glissement à la fréquence de synchronisation.
g = rg/rs = ng/ns = (rs-r)/rs = (ns-n)/ns
Le glissement g peut prendre plusieurs valeurs. Lorsque g<0, n>ns

  • Lorsque g=0 ; n=ns: pas de courant du rotor ni de couple.
  • Lorsque g>0 ; n<ns: C’est le fonctionnement en moteur asynchrone.
  • Lorsque g=1 ; n=0: le moteur est à l’arrêt ou au démarrage.
  • Lorsque g>1 ; n<0: le moteur fonctionne en freinage

Couplage

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Puissance et couples

Bilan énergétique

Puissance absorbée

Pa = 3½U.I.CosÞ

Les pertes par effet joule du stator

Montage étoile

Chaque enroulement monté entre neutre et phase est traversé par le courant I qui peut être mesuré à l’extérieur de la machine dans un fil de ligne. Les pertes par effet joule sont PJ3RI2

Montage triangle

Chaque enroulement monté entre deux fils de phase est traversé par un courant J qui est égale au quotient par la racine de 3 du courant J=I/√3. Si R’ est la résistance d’un enroulement donc PJ=3R’J2

Formule unique

Si l’on ignore le couple, il est possible d’établir une formule unique, quelque soit le couple si l’on ignore PJ. PJ=3rI2/2

Les pertes joules dans le rotor

Pjr = Ptr – Pm
Avec Pe = Ptr = puissance transmise au rotor
Pm = Puissance mécanique
Pjr = g.Ptr

Puissance transmise au rotor

Elle est encore appelée la puissance électromagnétique.
Pu = Pa – Somme des pertes statiques
Pe = Ptr = Pa – (Pjs + Pfs)

La puissance mécanique

La puissance mécanique est égale à la puissance transmise moins la somme des pertes du rotor.
PM = Ptr – Somme des pertes du rotor

La puissance utile

Pu = Pa – Somme des pertes

Les autres pertes

L’ensemble des pertes fers et pertes mécaniques sont souvent appelées pertes collectives Pc, en l’absence des renseignements, ces deux pertes sont égales à Pc=2P et Pm=½Pc

Arbre des puissances

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Couple

Couple électromagnétique (Ce ou Te)

Il est encore appelé couple de synchronisme ou couple synchrone.
Ce = Te = Ptr/rs ; Ce = Te = Ptr/rs = Pjr/g.rs

Couple utile Cu ou Tu

Cu = Tu = Pu/rr
Cu = Cem – (Protationnelle+Pjr+Pfr)/rr

Le couple utile Cu ou Tu est égal au couple électromagnétique Cem ou Tem lorsque les pertes mécaniques sont nulles: Cu=Cem

Le rendement

n = Pu/Pa = (Pa – PJs – Pfs – Pjr – Pm)/Pa
En négligeant toutes les pertes par effet joule dans le rotor, le rendement est n=1-g. Cette quantité s’appelle le rendement du rotor
n = Pu/Ptr ; ns = Ptr/Pa ; n = nr.ns

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Supplément

  • Lorsque la plus petite tension du réseau est égale à la plus petite tension du moteur, le couple est étoile.
  • Lorsque la plus grande tension du réseau est égale à la plus petite tension du moteur, le couple est triangle.

Exemples

N°1: Sur un réseau 170/220V le moteur a une tension de 220/380V est couplé en triangle:

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N°2: Sur un réseau 220/350V un moteur de tension 220/350V sera couplé en étoile:

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28 novembre 2021
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