lundi 29 août 2011

Le moteur asynchrone



Le moteur asynchrone

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Généralité et principe de fonctionnement

Généralité

Le moteur asynchrone couplé à un variateur de fréquence est de loin le type de moteur le plus utilisé pour les applications où il est nécessaire de contrôler la vitesse et le déplacement d'une charge.
Le système moteur-variateur convient bien pour des applications tels que les ascenseurs car on recherche une excellente précision à fois au niveau de la vitesse (confort des utilisateurs) et de la précision de la position de la cabine par rapport aux paliers.
Quant au moteur asynchrone seul, sa popularité résulte du peu d'entretien nécessaire, de sa simplicité de construction, de sa standardisation et de sa robuste.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone repose :
  • D'une part sur la création d'un courant électrique induit dans un conducteur placé dans un champ magnétique tournant. Le conducteur en question est un des barreaux de la cage d'écureuil ci-dessous constituant le rotor du moteur. L'induction du courant ne peut se faire que si le conducteur est en court-circuit (c'est le cas puisque les deux bagues latérales relient tous les barreaux).
  • D'autre part, sur la création d'une force motrice sur le conducteur considéré (parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique tournant ou variable) dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main droite.
Comme montré sur le schéma ci-dessus, le champ tournant , à un instant donné, est orienté vers le haut. En considérant deux conducteurs diamétralement opposés, on constate que les courants induits dans ces deux conducteurs sont en sens inverse et, associés au champ magnétique, créent des forces motrices en sens inverse. Le rotor étant libre de tourner sur l'axe X-Y, les deux forces s'associent pour imprimer aux deux conducteurs un couple permettant la rotation de la cage d'écureuil : le moteur électrique est inventé.
Pour entretenir la rotation du moteur, il est nécessaire de faire varier soit le courant dans les conducteurs de la cage, soit le champ magnétique. Dans un moteur asynchrone, c'est le champ magnétique qui varie sous forme de champ tournant créé dans le stator.
Au démarrage le champ tournant balaye les conducteurs de son flux à la vitesse angulaire de synchronisme. Le rotor mis en rotation tend à rattraper le champ tournant. Pour qu'il y ait un couple entretenu au niveau des conducteurs, la variation de flux doit être présente en permanence; ce qui signifie que si les conducteurs tournent à la vitesse de synchronisme comme le champ tournant, la variation de flux sur les conducteurs devient nulle et le couple moteur disparaît.
Un rotor de moteur asynchrone ne tourne donc jamais à la vitesse de synchronisme (50 Hz). Pour un moteur à une paire de pôles (à 50 Hz, la vitesse de rotation du champ tournant est de 3 000 [tr/min]) la vitesse de rotation du rotor peut être de 2 950 [tr/min] par exemple; intervient ici la notion de glissement.

Le stator

Le stator d'un moteur triphasé (le plus courant en moyenne et grosse puissance), comme son nom l'indique, est la partie statique du moteur asynchrone. Il se compose principalement :
  • de la carcasse,
  • des paliers,
  • des flasques de palier,
  • du ventilateur refroidissant le moteur,
  • le capot protégeant le ventilateur.
   
Stators.
L'intérieur du stator comprend essentiellement :
  • un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique,
  • les enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logés dans les encoches du noyau.
Dans un moteur triphasé les enroulements sont au nombre minimum de trois décalés l'un de l'autre de 120° comme le montre le schéma ci-dessous.
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Influence du nombre de paires de pôles sur la vitesse de rotation et de la forme du champ statorique résultant.
Lorsque les enroulements du stator sont parcourus par un courant triphasé, ceux-ci produisent un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. La vitesse de synchronisme est fonction de la fréquence du réseau d'alimentation (50 Hz en Europe) et du nombre de paires de pôles. Vu que la fréquence est fixe, la vitesse de rotation du champ tournant du moteur ne peut varier qu'en fonction du nombre de paires de pôles.
Paires de pôles
1
2
3
4
6
Nombre de pôles
2
4
6
8
12
n0 [tr/min]
3 000
1 500
1 000
750
500

Le rotor

Le rotor est la partie mobile du moteur asynchrone. Couplé mécaniquement à un treuil d'ascenseur par exemple, il va créer un couple moteur capable de fournir un travail de montée et de descente de la cabine d'ascenseur. Il se compose essentiellement :
  • D'un empilage de disques minces isolés entre eux et clavetés sur l'arbre du rotor afin de canaliser et de faciliter le passage du flux magnétique.
  • D'une cage d'écureuil en aluminium coulé dont les barreaux sont de forme trapézoîdale pour les moteurs asynchrones standards et fermés latéralement par deux "flasques" conductrices.
   

Glissement, couple et vitesse de rotation

Glissement

Comme on l'a vu au niveau du principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone, la vitesse de rotation de l'arbre du moteur est différente de la vitesse de synchronisme (vitesse du champ tournant).
Le glissement représente la différence de vitesse de rotation entre l'arbre du moteur et le champ tournant du stator; il s'exprime par la relation suivante :
s = n0 - nn
Avec,


  • n0 = vitesse du champ tournant.
  • nn = vitesse de rotation de l'arbre.
Le glissement est généralement exprimé en pourcentage de la vitesse de synchronisme n0.
s = (n0 - nn) / n0 [%]
La vitesse de synchronisme, quant à elle, est fonction de la fréquence du réseau et du nombre de paires de pôles. Elle s'exprime par la relation suivante :
n0 = (f x 60) /p
Avec,
  • n0 = vitesse du champ tournant.
  • f = la fréquence du réseau (en général 50 Hz).
  • p = le nombre de paires de pôles.

Couple

Le couple C d'un moteur asynchrone est fonction de la puissance P et de la vitesse de rotation n du moteur. Il s'exprime par la relation suivante :
C = (P x 9 550) / n
Avec,
  • P = Puissance du moteur [W].
  • n = la vitesse de rotation du moteur [tr/min].
Une des courbes la plus caractéristique des moteurs asynchrones est celle du couple en fonction du glissement :
Couple en fonction du rapport :
vitesse de rotation/vitesse de synchronisme.
Sur le graphe ci-dessus on voit tout de suite qu'il faut choisir le type de moteur en fonction de l'application : pour les motorisations des ascenseurs, on préférera les moteurs à double cage présentant un profil de courbe plus plat en fonction du glissement afin de bénéficier d'un couple relativement constant quelle que soit la charge.
Une des caractéristiques importante du moteur asynchrone, est qu'il peut, dans certaines conditions, se transformer en générateur asynchrone. Lorsqu'une cabine d'ascenseur redescend en charge maximum, le moteur renvoie de l'énergie au réseau.
Les courbes suivantes montrent ce phénomène :
Fonction en moteur ou en générateur suivant le couple résistant .
Pour être complet, on peut noter qu'un moteur asynchrone classique a les caractéristiques suivantes :
  • Le courant de démarrage est de l'ordre de 6 à 7 fois le courant nominal. Il est impératif de prévoir des systèmes de limitation de courant au démarrage (étoile/triangle, variateur de fréquence, ...).
  • Le couple de démarrage est important (de l'ordre de 2,5 fois le couple nominal).
  • Le couple est maximum pour un glissement de l'ordre de 30 %.
Caractéristiques d'un moteur asynchrone classique.

Pilotage de la vitesse de rotation

Le pilotage de la vitesse de rotation du moteur asynchrone est essentielle pour beaucoup d'applications.
La relation suivante permet de cerner quels sont les paramètres qui peuvent influencer la vitesse de rotation.
On a :
s = (n0 - n) / n0
Avec,
  • s = glissement [%].
  • n0 = vitesse du champ tournant [tr/min].
  • n = la vitesse de rotation de l'arbre du moteur [tr/min].
Ou :
n = ((1 - s) x f) / p
Avec,
  • f = fréquence du réseau [Hz].
  • p = le nombre de paire de pôle.

On peut donc piloter la vitesse de rotation en intervenant sur :
  • le nombre de paire de pôle (moteur à deux vitesses par exemple),
  • le glissement du moteur (moteur à bague),
  • la fréquence du réseau.

Pilotage en modifiant le nombre de pôles

Des anciennes installations d'ascenseur fonctionnent encore avec des moteurs à deux vitesses. La plupart du temps se sont des moteurs dont le rotor est composé de deux nombres différents de paires de pôles. Les enroulements sont disposés dans les encoches du stator d'une manière particulière qui en fait tout sa complexité. Les différents couplages par paire de pôles permet d'obtenir différentes vitesses.


Un moteur bipolaire a une vitesse de rotation de 3 000 [tr/min], tandis qu'un quadripolaire tourne à 1 500 [tr/min] ou à 3 000 [tr/min].
Donc pour autant que l'on puisse réaliser des couplages différents sur des moteurs à deux nombres différents de paires de pôles, on obtient des vitesses différentes.

Régulation de fréquence

A l'heure actuelle, le pilotage de la vitesse des moteurs asynchrones se fait électroniquement grâce à des variateurs de vitesse. Pour cette raison, on ne parlera ici que du contrôle de la fréquence qui de loin la plus courante.
Sans perte de puissance, on peut piloter la vitesse de rotation du moteur en faisant varier la fréquence car la vitesse de rotation du champ tournant au niveau du stator change. Pour conserver le couple moteur (intéressant pour les ascenseurs), il faut que la tension du moteur se modifie avec la fréquence dans un rapport constant. En effet, le couple est lié à la fréquence, la tension et le courant par la formule suivante.
On a :
C ~ (U/f) x I
Avec,
  • C = couple moteur [Nm].
  • U = tension du réseau[V].
  • I = courant absorbé par le moteur.
Si le rapport entre la tension et la fréquence reste constant, le couple le reste aussi.
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Pilotage en fréquence et en tension.
Le pilotage du moteur par un variateur de fréquence et de tension montre des intérêts certains; à savoir principalement :
  • la limitation du courant de démarrage (de l'ordre de 1,5 fois le courant nominal);
  • un coupe relativement constant quelle que soit la vitesse du moteur.

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