Bonjour, je vais vous parler de la machine asynchrone triphasée son utilisation des moteurs, quand j'ai dépassé des bases, ça va servir surtout pour les pompes, les compresseurs, ventilateurs, convoyants, on va le retrouver vraiment partout vous avez pas mal d'exemples d'explications de l'utilisation c'est le moteur électrique le moins cher à fabriquer, il nécessite un entretien minime et c'est le moteur utilisé dans l'industrie de très très loin Le principe de base, c'est que le stator va créer un champ magnétique tournant qui va entraîner la rotation du rotor. Comment sont constituées les machines asynchrones triphasées ? Au stator, on va trouver trois enroulements en cuivre, ce qu'on appelle aussi les bobinages, les inductances.
Ils peuvent être couplés en étoiles ou en triangles selon le réseau d'alimentation, on verra comment choisir le couplage tard. Le stator va constituer un circuit magnétique, donc il est fait d'un empilage de disques de tôle pour limiter les pertes parcourant Foucault l'empilage forme un cylindre dans lequel le rotor va tourner et les enroulements du stator sont placés dans les encoches au stator on va retrouver des tôles statoriques avec ces fameuses encoches et puis on voit ici juste un stator de machine asynchrone démonté avec on voit ici les têtes de bobinage qui sont glissées sur le côté pour laisser passer le rotor pour le monter Une petite photo d'un moteur asynchrone réel, et encore une autre avec les enroulements qui sont glissés dans les encoches ici, de manière à former ce cylindre dans lequel le rotor va pouvoir tourner. Le rotor est cylindrique pour pouvoir tourner. Pour un moteur asynchrone, on va avoir soit un bobinage triphasé, c'est une machine asynchrone, un rotor bobiné, c'est... On peut en avoir besoin pour aider au démarrage sur le moteur asynchrone, mais on en reviendra plus tard.
Soit une cage écureuil, ce qui est le moteur le plus commun, en tout cas surtout pour les petites et moyennes puissances. Donc il va être constitué de barres conductées sans aluminium, ce qu'on appelle la machine asynchrone à cage. Des courants alternatifs vont circuler dans les conducteurs au rotor.
Dans les deux cas, le circuit rotorique est mis en court-circuit, sauf éventuellement au démarrage pour la machine à rotor bovine. pour aider au démarrage, on peut insérer des résistances rotoriques pour aider le démarrage. Le champ magnétique créé par le stator va induire des courants dans les conducteurs du rotor et ces courants vont produire des forces de la place qui vont générer un couple un couple c'est un effort en rotation voici un petit exemple d'une machine asynchrone à un rotor bolliné on va retrouver des disques de tôle en fer silicium avec ici des enroulements rotoriques qui sont glissés dans les encoches qui sont reliés ici ensemble en court-circuit.
La machine asynchrone à cage, ce sont des cages d'écureuils, vous voyez pourquoi. En réalité ce sont des disques de tôle dans lesquels on va couler de l'aluminium et puis on voit bien ici que les conducteurs rotoriques, donc les barres d'aluminium, sont mises en court-circuit au-dessus. Un exemple de machine asynchrone à cage écœurée, on a encore une ici, donc on voit ici les barres d'aluminium qui sont coulées dans les encoches des tôles rotoniques. Voilà un petit éclaté d'un moteur asynchrone à cage, donc on retrouve ici le stator, ici le rotor, évidemment on a des roulements pour les guidages en rotation, qui doivent être très très précis, il y a très peu d'écart entre le stator et le rotor, ce qu'on appelle l'entrefer.
On voit ici la boîte de raccordement, donc là on va amener les fils électriques et puis... raccordé au triphasé en choisissant le couplage étoile ou triangle ici. On voit au passage pourquoi la machine a cette forme-là. On a des ailettes qui sont ici qui permettent la ventilation de la machine, donc le refroidissement, puisque le moteur, c'est pas parfait, ça va chauffer un petit peu.
Il y a des pertes dans le moteur, des pertes de cuivre, des pertes de fer en pratique. Et le ventilateur en plus, qui est ici, qui va forcer. le passage d'air entre les ailettes qui vont faire la convection forcée et aider le refroidissement du moteur.
Au passage, les ailettes du ventilateur ne sont pas orientées puisque le moteur peut tourner dans les deux sens, hormis pour une pompe par exemple où dans ce cas là on va trouver les ailettes orientées qui vont faciliter le flux d'air qui va passer entre les ailettes. Un autre exemple d'une petite photo d'un éclaté de moteur à 5. On va retrouver ici la boîte de raccordement, les enroulements statoriques qui sont ici, etc. Sont reliés ici, on va trouver 6 bornes, c'est normalisé, ce qu'on appelle la plaque à bornes. On verra comment choisir le couplage étoile et triangle à cet endroit là. Et puis on voit ici clairement aussi le flux d'air qui va passer entre les aides, ce qui va aider au refroidissement du moteur.
Et ici ce qu'on appelle l'arbre moteur, c'est ici qu'on va connecter la charge au moteur, soit un ventilateur, un tapis ruban. Au niveau du principe de fonctionnement, comment créer un champ magnétique tournant ? Je vais vous montrer ça très rapidement sans rentrer trop dans les détails des champs magnétiques.
Chaque bobinage va créer un champ magnétique. Chaque bobinage est parcouru par un courant sinusolidal. Donc chaque champ magnétique est sinusolidal dans le temps, mais de direction fixe, c'est la direction de la bobine.
On voit ici une machine asynchrone expérimentale. de laboratoire on voit nettement un enroulement, deux demi-enroulements pour la phase 1 par exemple deux demi-enroulements pour la phase 2 et chaque chaque enroulement va créer un champ magnétique dans sa direction qui va aller dans un sens donc le champ résultant donc la somme de ces trois champs magnétiques créés par trois enroulements statoriques va être un champ magnétique tournant dans l'espace mais de modules constants C'est ce qu'on va montrer rapidement sur les animations qui suivent. Quelques idées d'électromagnétisme.
Quand on fait passer un courant dans une bobine, dans un enroulement, ça crée un champ magnétique qui ici attire une boussole. Ce champ magnétique est proportionnel à l'intensité du courant. Le champ magnétique va être exprimé en Tesla. Si on met un courant alternatif sinusoidal au bord de l'enroulement, on va créer un champ magnétique sinusoidal. dans le temps mais de direction fixe, la direction de la bobine.
Le champ magnétique est une grandeur vectorielle donc la somme de deux champs magnétiques c'est une somme vectorielle de ces deux champs magnétiques comme on le voit ici sur la petite animation. Ici on va voir réellement la création du champ magnétique tournant par le stator donc chaque bobine, représentée ici en rouge, en bleu ou en vert va créer un champ magnétique de direction de la bobine et sinistré de longtemps mais les 3 courants qui alimentent ces 3 enroulements statoriques sont défasés dans le temps de 2π sur 3 radians, d'un tiers de période. Donc on va voir que ces 3 champs magnétiques, vous voyez rouge, bleu ou vert, si je fais la somme à chaque instant, c'est ce qu'on va voir maintenant, je peux essayer de faire des pauses, on voit la construction vectorielle, le vecteur rouge, le champ magnétique rouge, plus champ magnétique bleu plus champ magnétique vert ça va donner ça et puis un autre moment je vais retrouver aussi ça et vous allez voir que le champ magnétique résultant la somme de ces trois champs magnétiques est deux modules constants mais tournant dans l'espace voilà le principe de fonctionnement des moteurs à courant alternatif soit machine synchrone ou machine asynchrone maintenant si on place un aimant au centre de la machine, il va accrocher le champ magnétique et tourner à la même vitesse.
C'est le principe de la machine synchrone, l'aimant et le champ sont synchrones. Tandis que si on place un disque conducteur, ou une cage d'écureuil par exemple, il va subir les effets du champ magnétique, ça va donner envie au rotor de tourner, mais il ne va pas le suivre, il va y avoir un glissement. entre le champ tournant et le rotor. Donc le rotor va tourner un petit peu moins vite que le champ magnétique tournant créé par le stator. Donc ça c'est le principe de la machine asynchrone.
Il n'y a pas de synchronisme entre le champ tournant et la vitesse du rotor. Voilà le principe que je vous ai déjà montré sur le lunage statorique. Et puis dans la réalité, c'est des fils qui vont passer dans les encoches. Et puis on va voir que chaque enroulement rotorique peut avoir une seule paire de pôles, donc un pôle nord et un pôle sud.
plusieurs paires de pôles, ici j'ai des fils qui passent à l'aller mettons dans cette direction là qui reviennent au retour comme ceci, qui vont revenir par ici, qui vont repartir par là etc. Donc on peut avoir plus qu'une paire de pôles, plus qu'un pôle nord et un pôle sud pour le stator d'une machine asynchrone pour chaque enroulement. Pour inverser le sens de rotation du champ et donc le sens de rotation de l'arbre du moteur, il suffit d'inverser l'ordre des faces.
Il suffit de permuter deux câbles d'alimentation. A 50 Hz, le champ magnétique tournant va tourner à 50 tours par seconde, c'est-à-dire 3000 tours par minute. Mais on peut changer le nombre de pôles au stator, donc le nombre de pôles de chaque enroulement statorique, ce qui va permettre de réduire les vitesses de rotation du champ tournant, et donc la vitesse du rotor. Pour P égale une paire de pôles, on va tourner à 3000 tours par minute à 50 Hz. Pour deux paires de pôles, le champ magnétique va tourner seulement à 1500 tours par minute.
Le champ résultant tourne donc à des sous-multiples de 3000 tours par minute, donc toujours à 50 Hz. La vitesse du champ tournant est donnée par la fréquence divisée par le nombre de paires de pôles, donc pour P égale 1, c'est 50 Hz, donc 50 tours par seconde. Pour P égale 2, ça va être 25 tours par seconde, etc. On va souvent exprimer plutôt les vitesses en radians par seconde, ou plutôt... en tours par minute, donc 60 fois f sur p, c'est la formule pour la vitesse de synchronisme, la vitesse du champ magnétique tournant créée par le stateur.
A 50 Hz, on va trouver pour p égale 1, 50 tours par seconde, soit 30 tours par minute, pour p égale 2, 25 tours par seconde, soit 1,5 tours par minute. J'ai mis en couleur ces deux machines-là, puisque c'est vraiment celles qu'on retrouve... partout, pour plus de paires de pôles ça coûte un peu plus cher à fabriquer et puis pour des petites machines on n'a pas intérêt à le faire comment ça va se passer au niveau du rotor, la vitesse de rotation du rotor on va tourner un petit peu moins vite que le champ magnétique tournant créé par le stator il n'y a pas synchronisme il va y avoir un glissement, ce qui est la différence relative entre la vitesse du champ tournant et la vitesse du rotor Le glissement va être ns la vitesse du champ magnétique moins n la vitesse du rotor, si c'est en tours par minute, ramené en pourcents, donc divisé par la vitesse du champ magnétique tournant créée par le stator.
On peut aussi le définir en rapport de tours par seconde ou en rapport de radians par seconde. Le glissement est de l'ordre de quelques pourcents, hormis le démarrage bien sûr, et le glissement va varier assez peu avec la charge mécanique, un petit peu. Plus la charge mécanique va être difficile à entraîner, plus le glissement va être important, mais il va valoir quelques pourcents toujours. A vide, petite note au passage, la vitesse est quasiment indépendante de la tension d'alimentation. La machine tourne presque à la même vitesse pour 400 volts ou pour 50 volts, tension entre face.
On ne fait pas de modélisation compliquée, donc on va simplement parler en étude expérimentale. On n'obtient que le couple. L'effort en rotation créé par la machine va varier en fonction de la vitesse sous cette forme de caractéristique là.
Donc on voit que le couple est relativement faible au démarrage, ce qui peut être pour une vitesse nulle, ce qui peut être embêtant pour entraîner des charges qui sont justement difficiles à entraîner au démarrage. Ce n'est pas toujours le cas pour les charges, on va en parler un peu plus tard. Le couple, quand la vitesse va augmenter... va passer par un maximum et puis après il va s'écrouler brutalement, c'est presque une droite dans cette zone là, et en fait c'est là qu'on va se trouver pour la zone de fonctionnement normale. On va voir en fonction de la charge que l'on va vouloir entraîner, une charge mécanique qu'on va vouloir entraîner par le moteur.
Le point de fonctionnement on va le trouver à l'intersection entre la courbe de couple de la machine asynchrone et la courbe de couple résistant de la charge. Le point de fonctionnement va se trouver ici, c'est quand on va avoir un équilibre. Quand le couple utile est égal au couple résistant, il n'y a plus d'accélération. Tandis que pour les faibles vitesses, dans cette zone-là, le couple de la machine est supérieur au couple résistant. Donc on va avoir un couple d'accélération.
C'est la différence entre les deux. Plus la différence est importante, plus l'accélération va être franche et plus le moteur va arriver rapidement à des vitesses importantes. Le point de fonctionnement se trouve ici avec une certaine vitesse qui est très proche de la vitesse de synchronisme.
Il y a quelques pourcents de glissement de couple. Ce qui va dépendre bien entendu de la charge mécanique. Pour une charge mécanique plus facile à entraîner, qui aurait une courbe plus faible, le point de fonctionnement se trouverait plutôt par ici. Pour pouvoir démarrer, le moteur doit avoir un couple de démarrage. ici supérieur au couple résistant à vitesse nulle ce qui est le cas sur cette charge qui est en vert Alors les différents types de charges qu'on va trouver, on a 4 grandes familles de couples résistants qui correspondent aux charges visuelles.
Très souvent on va trouver ce type de courbe de couple résistant en proportionnelle à la vitesse au carré ou au cube, c'est le cas pour les ventilateurs, pour les pompes centrifuges par exemple. On peut aussi trouver des couples résistants proportionnels à la vitesse, ce qu'on appelle un frottement fluide, c'est le cas souvent pour les pompes volumétriques. Dans les deux cas, le couple résistant en démarrage est assez faible, ce qui ne gêne pas trop pour démarrage de la machine asynchrone en démarrage direct.
On peut aussi avoir ce type de couple résistant dans le couple résistant constant, ce qu'on appelle un proprement sec. C'est le cas pour lever une charge sur un ballon, par exemple, pour un convoyeur à bande ou une pompe à engrenage également. Il y a énormément de couples résistants, quelle que soit la vitesse, le couple résistant est quasiment constant. Un type de couple résistant qui apparaît assez souvent, c'est ce type là.
Un couple résistant qui est très élevé à basse vitesse et qui se réduit quand la vitesse est importante. C'est l'exemple typique d'un malaxeur. C'est pour ça que pour un malaxeur, on va préférer très souvent démarrer le malaxeur à vide, puis injecter les produits dedans, surtout si les produits sont très visqueux, pâteux, etc. On a parlé du couple au démarrage, on peut parler aussi du courant au démarrage. Le courant, en fonction de la vitesse, on va pouvoir le tracer.
Ici, on met en échelle I sur IN, courant sur courant nominal, ce qui veut dire qu'on va arriver à 1 quand on sera arrivé au point de fonctionnement nominal. On va observer qu'on a une pointe importante d'intensité de l'ordre de 5 à 7 fois le courant nominal pendant toute la phase de démarrage. Et puis, quand on va arriver... au point de fonctionnement nominal, le courant va arriver à sa valeur nominale. Alors là, c'était l'allure de la valeur efficace du courant au démarrage.
Ici, on va avoir, en fonction du temps, le courant au démarrage, effectivement, c'est toujours un courant sinusoidal, qui est important pendant la phase de démarrage, et qui n'est plus réduit quand la machine a atteint sa vitesse nominale. Donc la pointe de courant qui est très embêtante pour un moteur est de l'ordre de 5 à 7 fois le courant nominal. Et pour des puissances supérieures à en gros 3 kW, il vaudra mieux limiter cette pointe de courant. Sinon on va avoir beaucoup de courant consommé, un échauffement trop important des conducteurs. Ça peut entraîner aussi une chute de tension importante au niveau du réseau puisqu'on absorbe d'un coup beaucoup de courant sur la machine.
Et donc les autres machines qui sont autour peuvent être impactées. Cela va aussi entraîner un surdimensionnement de l'installation électrique en elle-même. Il faut que les câbles, les disjoncteurs, etc. laissent passer cette pointe de courant qui peut être très importante au démarrage.
Encore une fois, pour des petits moteurs, ce n'est pas embêtant. Pour des plus gros moteurs, ça peut l'être beaucoup. On retrouvera divers procédés de démarrage qui permettent de réduire ce courant absorbé sans trop réduire le couple au démarrage. Et puis on peut aussi vouloir... démarrer doucement une machine pour éviter d'avoir un accout de couple important au démarrage ce qui pourrait entraîner une usure prématurée de la charge mécanique qui pourrait être connectée derrière exemple sur un tapis roulant la bande va être étirée au démarrage si on démarre direct sur une machine à 5 sur un tapis roulant, un convoyeur, on ne va jamais faire un démarrage direct en gros, on va faire un très petit courrier le temps de démarrage, le temps d'arriver à une vitesse importante constante va dépendre de la charge.
Plus le couple utile sera grand devant le couple résistant, la différence entre les deux c'est ce qu'on appelle le couple d'accélération, plus l'accélération sera importante et moins le temps de démarrage sera long. On va arriver ici au bilan de puissance sur la machine asynchrone. On va parler des pertes et du rendement.
Donc on va avoir cette machine asynchrone qui va convertir une puissance électrique active, racine de 3 ulicoses fi, en puissance mécanique utile la puissance mécanique d'un arbre en rotation c'est le couple fois la vitesse le couple s'exprime en newton mètres c'est des newtons fois des mètres une force fois une distance fois la vitesse de rotation qui doit être en unité SI, à savoir les radians par seconde donc oméga un petit rappel pour passer de la vitesse en tours par minute à la vitesse en radians par seconde on dit simplement qu'il y a deux pirates d'or dans un tour et qu'il y a 60 secondes dans une route Donc oméga c'est n fois 2pi sur 60, soit pi sur 30. Donc en gros un dixième. Pi c'est 3 sur 30, ça fait en gros un dixième. Donc si je fais le bilan des puissances, on va prendre en compte toutes les pertes de la machine asynchrone.
Donc on va retrouver des enroulements au stator, des barres d'aluminium ou des enroulements au rotor. Donc forcément quand on fait passer un courant dans un enroulement, on va trouver des pertes par effet joule, de la formérie carré. Donc au stator, au rotor. On va trouver également des pertes fer au stator et au rotor.
J'ai un champ magnétique qui passe dans un circuit magnétique. Même s'il est bien fait, on va avoir quelques pertes, des pertes fer-statoriques et des pertes fer-rotoriques. Et puis on va trouver également des pertes mécaniques qui sont dues au frottement mécanique, au frottement de l'air et les frottements dans les roulements à l'air.
On peut représenter un arbre des puissances sous cette forme. Donc ici on a la puissance active absorbée par la machine, de la forme racine de 3 fois U fois I, le courant efficace au stator fois le plus-fi de la machine. On va trouver...
C'est de l'énergie électrique. On va trouver en premier les pertes joules statoriques, quand on fait passer le courant dans les enroulements. Puis on a créé un champ magnétique.
Ce champ magnétique va circuler dans le circuit magnétique, donc on va avoir des pertes ferres au stator BFS. Donc là on est sous forme d'énergie magnétique. On va ensuite, ce champ magnétique va environner le rotor, va passer dans le circuit magnétique du rotor, donc on va avoir des pertes ferres au rotor. Puis ce champ magnétique crée des courants au rotor, donc on va avoir des pertes joules au rotor, c'est de la forme érie carrée toujours, le courant qui va passer dans les barres d'aluminium, si j'ai une machine à 5,5 H.
Et enfin on va trouver les pertes mécaniques, etc. Vous voyez que la puissance, entre la puissance en entrée et puis la puissance en sortie, forcément je vais avoir un petit peu moins de puissance. Ici je vais retrouver la puissance utile, qui est le couple, on appelle le couple utile fois la vitesse de rotation en radian par seconde. Le rendement est obtenu en prenant la puissance de sortie d'un PU sur la puissance d'entrée PA et PA, la puissance active absorbée par la machine, c'est la puissance utile plus toutes les pertes mécaniques perte joule au stator, perte joule au rotor, perte fer au stator et perte fer au rotor.
Le rendement est donc évidemment inférieur à 1. il est d'au moins tout de même 85% pour un moteur asynchrone faible puissance voire plus de 90% au delà de 20 kW une moyenne assez forte puissance c'est la nouvelle norme en 2011 plus une nouvelle que ça qui a augmenté l'efficacité énergétique du moteur je vous remercie