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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1 — Principe de la cage d'écureuil


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

Le moteur asynchrone est basé sur la réaction d'induit. Le moteur asynchrone est aussi appellé subsynchrone ou si on veut faire pédant hyposynchrone. Dans le monde anglo-saxon, ce type de moteur est appellé moteur à induction, car il est basé sur la création d'un champ magnétique dans le rotor. 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.

Le moteur à droite montre la forme typique d'un moteur asynchrone en construction blindée à ventilation extérieure. Le moteur a un capot du coté du ventilateur pour envoyer l'air sur la surface externe du moteur. Le rotor mui-même a des ailettes pour produire une circulation de l'air dans le moteur même. Le rotor chauffe fortement en charge.

La puissance d'un moteur asynchrone peut aller jusqu'à plus de 50kW. Pour des puissances plus élevées on préfère un autre type de moteur qui a un rendement plus élevé.

Fonctionnement du moteur

Le principe du fonctionnement du moteur asynchrone est basé sur la création d'un champ magnétique dans le rotor. Quand le champ statorique varie, le champ rotorique varie également, puisque le rotor est englobé par le champ magnétique du stator. Si on met un bobinage en cours-circuit dans le champ du rotor, il se comporte comme le secondaire d'un transformateur (tant que le moteur ne tourne pas). Un courant très important apparait dans le bobinage, et celui-ci produit à son tour un champ magnétique qui est inverse au champ primaire. Sans bobinage dans le rotor, il n'y a pas de moteur: les caractéristiques du moteur dépendent des caractéristiques du bobinage du rotor.

Par la réaction d'induit, le rotor produit un champ magnétique qui s'oppose aux variations du champ tournant statorique. Ce champ a la polarité inverse et les pôles contraires s'attirent. Un pôle positif au stator produit un pôle négatif au rotor en face de celui ci. Mais le champ magnétique n'est pas fixe, il tourne car le moteur est alimenté en triphasé. Le champ secondaire (du rotor) à tendance à suivre le champ primaire et le rotor se met à tourner.

La vitesse du moteur ne va pas augmenter jusqu'à la vitesse du synchronisme, car à ce moment il n'y a plus de champ magnétique variable dans le rotor, et donc plus d'induction. La vitesse du moteur augmente jusqu'à environ 95% de la vitesse de synchronisme et diminue selon la charge du moteur (le type de bobinage du rotor détermine également la vitesse de rotation en charge du moteur). Ce type de moteur ne peut donc jamais s'emballer, ce qui est un grand avantage.

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 1 montre le principe de la cage d'écureuil et la gravure 2 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).

On remarquera la similitude du stator d'un moteur asynchrone avec celui d'un moteur synchrone. On peut transformer un moteur asynchrone en moteur synchrone en remplaçant le rotor. Les moteurs synchrones qui n'ont pratiquement pas de couple au démarrage ont souvent une cage d'écureuil pour démarrer comme un moteur asynchrone. 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.

Il est a noter que le rotor n'a pas de champ magnétique intrinsèque: c'est la réaction d'induit qui produit ce champ. On profite de cette caractéristique dans les moteurs à commutation de pôles (moteurs dahlander).


3 — Produire un champ tournant avec des bagues déphaseuses



4 — Petit moteur asynchrone
pour ventilateur et applications similaires

Produire un champ tournant avec du monophasé

Quand on injecte du counant alternatif monophasé dans le stator, 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 très fort.

Quand un moteur triphasé est alimenté en monophasé, il ne va pas se mettre à tourner, mais va rapidement griller. C'est par exemple le cas si une phase est interrompue.

Le champ tournant peut être produit

  1. par un courant triphasé (gros moteurs équippés de trois bobinages), puissance supérieure à 500W

  2. par du courant diphasé produit par un condensateur en série sur un des deux bobinages (moteurs de puissance moyenne, 100 à 500W) ou

  3. par deux spires de Frager et un seul bobinage (moteurs de faible puissance (maximum 100W) ne nécessitant qu'un faible couple au démarrage comme les petits ventilateurs).
Pour les petites puissances (jusqu'à 2kW environ) on peut utiliser un variateur de fréquence qui va produire le triphasé à partir du monophasé (choisir un variateur prévu pour cette application).

Les moteurs 3 et 4 sont alimentés en monophasé. Les gravures montrent l'utilisation d'une spire de Frager dans un moteur de ventilateur. Ce type de moteur est appellé moteur à pôles fendus, moteur à bague déphaseuse, moteur à bague de Frager ou moteur à spire de démarrage (shading ring en anglais).

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, la bague tente de maintenir le champ et on obtient ainsi un champ tournant.

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%).

Freinage d'un moteur asynchrone

Une manière très aisée 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. Contrairement au frein mécanique, le frein magnétique ne s'use pas.

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. En effet, l'induction dans le rotor n'est présente que tant que celui ci tourne (dans le champ statorique fixe).


Barres trapézoïdales (cage d'écureuil)


Couple par rapport à la vitesse selon le type de cage d'écureuil

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 (aisément magnétisable)
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). La cage résistante est de plus en plus souvent réalisée en aluminium qu'on peut simplement couler dans les encoches. 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.

A droite trois exemples de cages d'écureuil:

  • (a) Une cage en aluminium coulé (cage résistive) pour puissances jusqu'à 15kW
  • (b) Rotor à encoches profondes pour des puissances de 5 à 60kW
  • (c) Rotor à double cage (utilisation universelle pour toutes les puissances)

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.

Plus le glissement est important, et moins le rendement du moteur est bon. Le glissement produit en effet un courant de cours circuit dans le bobinage du rotor (quel qu'il soit): pour la partie "glissement", le moteur se comporte comme un transformateur dont le secondaire est en cours-circuit. Quand le moteur travaille à forte charge, le secondaire peut atteindre des températures très élevées.

Il n'est pas possible d'éliminer ce glissement, le moteur asynchone est basé sur ce glissement pour fonctionner. Quand un rendement plus élevé est nécessaire, on utilise un autre type de moteur: un moteur synchrone ou un moteur à réluctance variable. Le premier moteur est fort cher (il utilise des aimants permanents ou une roue polaire qui doit être alimentée en courant) tandis que le second moteur nécessite un variateur de fréquence adapté.

Les très gros moteurs qui fonctionnent en permanence sont souvent des moteurs synchrones (le surcout est compensé par le rendement plus élevé). Le moteur à réluctance variable est utilisé dans les applications permanentes où une vitesse variable est nécessaire (climatisation). Il est également utilisé dans la dernière génération de voitures électriques où on profite de son très bon rendement.

Avantages et inconvénients des moteurs asynchrones

C'est le moteur le plus souvent utilisé car il est très simple. Il peut être adapté à de multiples usages en modifiant le type de rotor (cage d'écureuil adaptée). Il est très aisé de fabriquer un moteur deux vitesses sans perte de rendement.


Pour une puissance donnée, le moteur est plus volumineux que tous les autres types de moteurs. Le couple au démarrage est faible avec un appel de courant élevé. Le moteur a un mauvais facteur de puissance, il consomme beaucoup de puissance réactive pour créer le champ magnétique. Le rendement est moins bon que la plupart des autres moteurs.

La plupart des inconvénients (sauf le rendement moyen) peuvent être éliminés: démarrage étoile-triangle, variateur de fréquence.

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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