Electricité
Les moteurs asynchrones
Asynchrone
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Les moteurs asynchrones sont le type de moteur le plus souvent utilisé, car c'est le type de moteur le plus simple et le plus fiable.

Les moturs asynchrones (en fait subsynchrones ou hyposynchrones) peuvent fonctionner en générateur hypersynchrone si on les fait tourner plus vite que la vitesse de synchronisme.

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2 — Principe de la cage d'écureuil


3 — Produire un champ tournant avec des bagues déphaseuses



4 — Stator et rotor d'un moteur à cage d'écureuil



5 — Moteur asynchrone (cage d'écureuil)
(subsynchrone ou hyposynchrone)


Barres trapézoïdales (cage d'écureuil)

Freinage d'un moteur asynchrone
Une manière de freiner les moteurs asynchrones, c'est d'appliquer une tension continue aux bobinages (environ 1/10 de la tension nominale, selon la puissance de freinage voulue). Cette tension va agir comme un frein très puissant. La tension continue n'agit pas comme frein mécanique et ne permet pas de totalement bloquer le moteur, le freinage est proportionel à la tension continue et la vitesse de rotation. Contrairement au frein mécanique, le frein électrique ne s'use pas.

Le moteur asynchrone

Les moteurs asynchrones sont basés sur la réaction d'induit. Le moteur asynchrone est aussi appellé subsynchrone ou si on veut faire pédant hyposynchrone. La réaction d'induit néfaste est contrecarrée dans les dynamos par des pôles de compensation, mais mise à profit dans les amplidynes et métadynes. Elle est également utilisée dans les moteurs asynchrones.

L'induit se compose de gros brins de cuivre pour avoir un courant important (et donc également une forte réaction d'induit). En pratique l'induit a la forme d'une cage d'écureuil. Pour augmenter le champ magnétique, la cage est noyée dans le rotor qui se compose de feuillets de tôle fine facilement magnétisable pour éviter les courants de foucault. Le rotor d'un moteur asynchrone ressemble en fait à un rouleau à patisserie.

On fabrique des moteurs avec des caractéristiques différentes en modifiant la forme des barres: rondes, triangulaires, trapézoïdales,... Il existe également des moteurs à cage d'écureuil double, une normale et une résistante pour le démarrage.

La gravure 2 montre le principe de la cage d'écureuil et la gravure 4 la réalisation pratique. La cage d'écureuil a des barreaux obliques pour obtenir un couple constant quel que soit la position du rotor (fonctionnement sans à-coup).

Produire un champ tournant avec du monophasé

Quand on injecte du counant alternatif monophasé dans l'inducteur, il produit un champ magnétique alternatif qui ne produit pas d'effet tournant. Le champ magnétique augmente, diminue, s'inverse et la cage d'écureuil agit comme le secondaire d'un transfo en cours circuit: la cage d'écureuil chauffe. Quand un moteur triphasé est alimenté en monophasé, il ne va pas se mettre à tourner, mais va rapidement griller.

Le champ tournant peut être produit

  1. par un courant triphasé (gros moteurs équippés de trois bobinages),

  2. par du courant diphasé produit par un condensateur en série sur un des deux bobinages (moteurs de puissance moyenne) ou

  3. par deux spires de Frager et un seul bobinage (moteurs de faible puissance ne nécessitant qu'un faible couple au démarrage comme les petits ventilateurs).
Les moteurs 3 et 5 sont alimentés en monophasé. Les gravures montrent l'application d'une spire de Frager dans un moteur de ventilateur. Ce type de moteur est appellé moteur à pôles fendus ou à bague déphaseuse ou moteur à bague de Frager.

La bague déphaseuse est réalisée en gros fil de cuivre. La self-induction de la bague produit un champ déphasé (en retard avec le champ principal). Quand le champ principal diminue, le champ déphasé augmente et on obtient ainsi un champ tournant.

On remarquera ici aussi la similitude avec les moteurs synchrones dans la réalisation du champ tournant.

Par la réaction d'induit, le rotor produit un champ magnétique qui s'oppose aux variations du champ tournant statorique. Un pôle positif au stator produit un pôle négatif au rotor en face de celui ci. Comme le champ tourne, les pôles du rotor ont tendance à suivre le déplacement des pôles du stator et le rotor se met également à tourner.

Il est a noter que le rotor n'a pas de champ magnétique intrinsèque: c'est la réaction d'induit qui produit ce champ. Ce moteur ne peut donc pas tourner en synchronisme, car alors il n'y aurait plus de changement de champ magnétique (vu à partir du rotor), donc plus de réaction d'induit et donc plus de champ magnétique propre non plus. Ce type de moteur ne peut donc jamais s'emballer, ce qui est un grand avantage.

Un tel moteur a toujours un glissement (qui dépend de la charge et de la forme de la cage d'écureuil) et qui est de quelques pourcents de la vitesse nominale. Le glissement est beaucoup plus important pour les moteurs à spires de Frager (jusqu'à 40%, avec un rendement d'environ 10 à 20%).

Cage d'écureuil

Les spires de la cage d'écureuil ne sont pas nécessairement cylindriques: pour les puissances élevées on utilise une forme de trapèze. Cela permet un démarrage avec un appel de courant moindre, tandis que le couple est plus important quand on s'approche de la vitesse de synchronisme.

Il utilise l'effet pelliculaire (skin effect): à l'arrêt ou aux faibles vitesses de rotation, le champ magnétique change rapidement (du point de vue du rotor) et grâce à l'effet pelliculaire le champ magnétique pénètre d'environ 1cm dans le cuivre. Quand on s'approche du synchronisme, le champ magnétique varie moins rapidement et l'effet pelliculaire disparait. Toute la barre de cuivre est maintenant utilisée et la résistance de la cage diminue fortement.

Bleu: rotor du moteur en feuillets de tôle
Jaune/rouge: barres avec en rouge la pénétration du champ magnétique: à gauche quand le moteur démarre et que seul l'extérieur de la barre est parcourue par le courant (barre résistante) et à droite quand le moteur tourne à sa vitesse nominale et que toute la barre est parcourue par le courant.

Il existe également des moteurs avec double cage d'écureuil, une cage externe résistante pour le démarrage et une cage intérieure à gros barreaux en fonctionnement normal. Quand le glissement est important, la fréquence induite est élevée et le champ magnétique n'agit que sur la cage extérieure en laiton (plus résistante). Plus la vitesse de rotation s'approche de la vitesse de synchronisme et plus le champ magnétique agit sur la cage intérieure composée de gros barreaux en cuivre.

Un moteur à cage simple a un couple au démarrage nettement moindre que le couple à vitesse nominale. Ces moteurs sont idéaux quand le démarrage peut se faire à faible charge: pompes, ventilateurs, machines-outils démarrant à vide, etc. Ils sont moins recommandés quand le démarrage doit se faire en charge (compresseurs, ascenseurs). Les moteurs avec une cage d'écureuil double qui doivent être utilisés dans ce cas ont un moins bon rendement.

Tous les moteurs synchones (dont la cage d'écureuil est remplacée par un aimant ou une roue polaire) ont un couple de démarrage très faible et souvent ils ne peuvent pas démarrer tout seul en charge. De nombreux moteurs synchrones ont une cage d'écureuil pour permettre le démarrage. Quand la vitesse se rapproche du synchronisme, le moteur synchrone prend le dessus: en effet le couple du moteur asynchrone est nul (c'est comme si la cage d'écureuil n'existait pas) quand le moteur est en synchronisme. Pour faire apparaitre une réaction d'induit, il faut un glissement, et celui-ci est nul en synchronisme.

Moteur de frigo ou surgélateur

Le moteur asynchrone est par exemple utilisé dans le compresseur de frigos et surgélateurs. Il s'agit d'un moteur alimenté en monophasé, mais qui dispose d'un condensateur pour produire le champ tournant. Le moteur avec son couple relativement faible à basse vitesse ne peut démarrer qu'à vide, c'.à.d. quand la pression est équilibrée.

Quand le compresseur vient de touner, il y a une forte différence de pression que le moteur n'arrive pas à vaincre. Le courant est alors très important, et un fusible thermique coupe l'alimentation pendant quelques minutes, le temps que la pression puisse s'égaliser.

Le moteur à rotor bobiné permet de faire varier la résistance du rotor. Si le démarrage est laborieux, on utilise maintenant un variateur électronique de vitesse à la place d'un moteur à rotor bobiné.

Les moteurs Dahlander sont décrits sur une page séparée. Ce sont des moteurs asynchrones qui peuvent tourner à deux vitesses.

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