Les moteurs asynchrones: fonctionnement

Les moteurs asynchrones constituent de nos jours les machines électriques les plus employées. Elles sont robustes, fiables, économiques et conviennent pour les applications les plus exigeantes de l’industrie (ascenseurs, pompes, etc.).
Le terme « asynchrone » signifie que la vitesse de rotation du moteur est inférieure à celle du champ tournant du réseau. Les moteurs asynchrones fonctionnant sur réseau alternatif triphasé sont de loin les plus utilisés. Dans cet article, découvrez en douceur le fonctionnement d’une telle machine.

Constitution (rappel)

Le moteur asynchrone comprend deux parties:

  • Le stator, partie fixe constituée d’un empilage de tôles assemblées en cylindre, à l’intérieur de laquelle sont insérées des bobines de cuivre. Le rôle du stator est de créer un champ magnétique tournant (vitesse de synchronisme).
  • Le rotor, partie mobile composée de barres de cuivre introduites dans des encoches et fixées de part et d’autre par des anneaux les court-circuitant (rotor à cage d’écureuil) ou composée d’un bobinage semblable à celui du stator, placé dans des encoches (rotor bobiné).

Nous ne parlerons que d’un seul type de rotor: le rotor à cage d’écureuil. On dit que ce rotor est à cage d’écureuil en raison de sa forme caractéristique.


Principe de fonctionnement

Notion d’électromagnétisme

Lorsqu’une bobine de fil de cuivre est parcourue par un courant (I), un champ magnétique (B) proportionnel à celui-ci est créé à l’intérieur de l’élément et se dirige vers l’extérieur.

En régime alternatif, le courant varie 50 fois par seconde. Le champ magnétique généré varie également.
La bobine se comporte alors comme un aimant et a la capacité d’attirer ou de repousser des éléments ferromagnétiques.
L’électro-aimant ainsi créé est pourvu de deux pôles (N et S) s’inversant cycliquement en fonction de la variation du courant.

Installons maintenant 3 bobines en cercle décalées géométriquement de 120° les unes des autres et alimentons-les en séquence triphasée (les 3 courants ne s’établissent pas au même moment, les champs magnétiques non plus).

 

 

Les flèches de couleur représentent le sens des champs magnétiques générés par les 3 bobines à mesure que leur courant respectif varie en amplitude et en séquence (figées à un instant t).

 

 

 

 

 

 

Lorsque l’on fait la somme vectorielle des champs magnétiques à chaque instant, le vecteur résultant représente le champ magnétique tournant correspondant à la vitesse de synchronisme du moteur.

 

 

 

Ces bobines sont ce que l’on appelle les enroulements du moteur. Ils sont au nombre minimum de 3,  géométriquement disposés dans le stator à 120° les uns des autres, placés dans des encoches et connectés respectivement aux 3 phases du réseau.
Chaque enroulement comporte 2 pôles (pôle N et pôle S), ce qui fait 1 paire de pôles.

Bien évidemment, on peut tout à fait avoir plus de 3 enroulements. Par exemple, il existe des moteurs comportant 12 enroulements disposés géométriquement à 30° les uns des autres dans le stator, soit 4 paires de pôles pour chaque phase.

Voici une formule permettant de déterminer la vitesse de synchronisme d’un moteur:

\eta= \frac{f}{p}      avec

η = vitesse de synchronisme en tours par seconde (tr/s)
f = fréquence d’alimentation en hertz (hz)
p = nombre de paire de pôles

Exemple: un moteur constitué de 4 paires de pôles par phase est alimenté par un réseau triphasé à fréquence 50Hz:

\eta= \frac{50}{4}  soit 12,5 tr/s 

La rotation des moteurs étant plutôt exprimée en tours par minute, nous aurons donc 750 tr/min

Et l’écureuil dans tout ça ?

Le stator génère un courant électrique dans le rotor sans qu’aucune pièce n’entre en contact avec une autre: le truc tient de la magie, ou presque! c’est la magie de l’électromagnétisme:

Le rotor est installé au milieu du stator de manière à ce que les barres de cuivre qui le composent « coupent » les lignes de champ magnétique créées par les bobines.
Le champ tournant engendre alors une tension alternative dans les barres de métal. Ces barres étant court-circuitées par deux anneaux les reliant à leurs extrémités, la tension induite fait circuler des courants intenses (courants de Foucault).
Les barres portant ces courants sont soumises à des forces électromagnétiques importantes car elles sont situées dans le champ magnétique du stator. En conséquence, ces forces obligent le rotor à tourner dans le sens de rotation du champ.

A mesure que le rotor accélère, les barres coupent le champ magnétique plus lentement car la vitesse relative du champ tournant par rapport à celle du rotor diminue, ce qui a pour effet de réduire la tension induite dans celles-ci. Le courant circulant dans les barres diminue également. Réaction en chaîne, les forces qui agissent sur les barres s’affaiblissent à leur tour. Quand la vitesse du rotor rattrape celle du champ tournant dans le stator, les forces générant le couple de rotation diminuent et tombent à zéro (plus aucune coupure des lignes de champ par les barres) –> le moteur ralentit.
Durant son ralentissement, les barres coupent à nouveau le champ magnétique car les deux vitesses ne sont plus égales et le processus recommence. A cause de ce phénomène, le rotor ne parvient jamais à tourner durablement à la même vitesse que celle du champ mais il tourne très légèrement en-dessous.

En conséquence, la vitesse du rotor reste en permanence inférieure à celle du champ tournant du stator (vitesse de synchronisme) pour continuer de produire un courant et donc générer un couple qui permet la rotation de la machine.

Comme la vitesse du rotor n’est pas égale à la vitesse synchrone,  on dit que le moteur est asynchrone. La différence entre ces deux vitesses s’appelle le glissement.

Le glissement se calcule par la formule suivante:

g = \frac{\eta s - \eta}{\eta s}

ηs = vitesse de synchronisme en tours par seconde (tr/s)
η = vitesse du rotor en tours par seconde (tr/s)

La valeur obtenue peut être exprimée en % en multipliant le résultat obtenu par 100.

Lorsque le moteur n’entraîne aucune charge mécanique (à vide), le glissement est faible (de l’ordre de 0,1%). Le rotor tourne donc à vitesse voisine de celle du champ statorique.
Lorsque le moteur entraîne une charge, ce dernier ralentit. Les barres du rotor coupent le champ magnétique plus rapidement (la vitesse du champ restant fixe), la tension et les courants induits dans les barres augmentent de manière à produire un couple pour vaincre la charge mécanique à entraîner.

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