Généralités sur la machine asynchrone avec exercice pratique

La machine asynchrone est une machine électrique utilisée principalement dans les applications industrielles. Ses principaux avantages sont : sa conception simple, son coût peu élevé, sa sûreté de fonctionnement, sa robustesse et sa maintenance économique. Non seulement dans des applications industrielles, mais elle aussi est utilisée dans les institutions pédagogiques, dans des domaines scientifiques, option électrotechnique surtout. Ici à Madagascar, nous n’avons pas assez de matériels et d’équipements pour faire les études complètes, c’est-à-dire étude théorique et vérification expérimentale. Heureusement que l’évolution en informatique nous donne une dernière chance, qui nous permet de faire des recherches scientifiques par voie de simulation. La simulation est un moyen efficace et économique, utilisé pour faire des études préliminaires et/ou comparatives, tant au stade du développement (conception), qu’au cours du fonctionnement normal des systèmes. Plusieurs outils (spécialisés ou non) de simulation sont utilisés dans le domaine de l’électronique de puissance ou de la commande des machines électriques : ATOSEC5, EMTP, SPICE, SIMNON, MATLAB, SIMULINK. Nous allons pratiquer la simulation sur « l’étude comparative des schémas de résolution des équations d’un moteur asynchrone triphasé » qui est le sujet de ce travail de mémoire.

Une machine asynchrone est une machine à courant alternatif, appelée aussi machine à induction. Sa vitesse en charge et la fréquence du réseau auquel elle est reliée ne sont pas dans un rapport constant.

Constitution
L’organisation d’une machine asynchrone est constituée des principaux éléments suivants :
➤ le stator (ou la partie fixe) ;
➤ le rotor (ou la partie tournante) ;
➤ les organes mécaniques permettant la rotation du rotor.

Le stator
C’est la partie fixe de la machine sur lequel les enroulements statoriques sont logés dans les encoches. Il est constitué par une couronne de tôles d’acier magnétique empilées et isolées, généralement de 0.5 mm d’épaisseur, ce qui est le cas de tous les moteurs asynchrones sauf les plus gros, et de forme circulaire poinçonné en un seul morceau avec perçage simultané sur le coté intérieur des encoches. Le stator remplit généralement deux fonctions: l’une électrique d’inducteur et l’autre mécanique de support et de lien entre les différentes parties permettant la rotation du rotor et le maintien des différents sous ensembles. Il comporte une carcasse, un paquet de tôles, un bobinage et des accessoires divers.

a. La Carcasse
Lors de la présentation de la carcasse d’un moteur, nous y remarquons la boîte à bornes, les ailettes de refroidissement, les sièges des flasques, les points d’accrochage pour accessoires. Elle peut être en fonte ou en aluminium. Les machines à injecter d’aluminium ne permettent pas de réaliser des pièces de grande taille de manière économique (pression d’injection nécessaire trop grande). Par conséquent, les petites carcasses (hauteur d’axe inférieure à 132 mm) seront en aluminium, tandis que les grandes carcasses utiliseront de la fonte. La carcasse assure aussi deux fonctions importantes : fixation mécanique (Brides ou pattes) et refroidissement. Le concepteur doit trouver un compromis entre la surface totale des ailettes et la complexité de réalisation du moule. De nombreux appendices (trous, bossages, plats…) sont nécessaires.

b. L’Entrefer
C’est la partie vide de la machine. Elle se situe entre le stator et le rotor de la machine, son rôle est de bien pouvoir tourner machine, c’est pour cela que la dimension de l’entrefer est fine pour que le transit de puissance vers le rotor soit meilleur.

Machine asynchrone à rotor en cage d’écureuil simple
Le circuit du rotor est constitué de barres conductrices régulièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant les extrémités, le tout rappelant la forme d’une cage d’écureuil. Bien entendu, cette cage est insérée à l’intérieur d’un circuit magnétique analogue à celui du moteur à rotor bobiné. Les barres sont faites en cuivre, en bronze ou en aluminium, suivant les caractéristiques mécaniques et électriques recherchées par le constructeur. Dans certaines constructions, notamment pour des moteurs à basse tension (par exemple 230/400 V), la cage est réalisée par coulée et centrifugation d’aluminium. On démontre que, si le nombre de barres est suffisamment grand, la cage se transforme automatiquement en un circuit polyphasé de polarité adéquate. Ce type de moteur est beaucoup plus aisé à construire que le moteur à rotor bobiné. Par conséquent, d’un n’est donc pas étonnant qu’il constitue la plus grande partie du parc des moteurs asynchrones.

Machine asynchrone à rotor à double cage
Le rotor comporte deux cages coaxiales : l’une externe (fréquemment réalisée en laiton ou en bronze) à résistance relativement élevée est placée près de l’entrefer, l’autre interne (en cuivre) de plus faible résistance et noyée dans le fer. Au démarrage, le courant rotorique de fréquence égale à la fréquence f du réseau d’alimentation se situe essentiellement dans la cage externe, du fait de la faible pénétration des courants dans l’épaisseur du rotor (effet de peau). Sa relativement forte résistance réduit l’appel de courant et accroît le couple de démarrage.

Au contraire, lorsque le moteur atteint son régime nominal de fonctionnement, normalement caractérisé par un faible glissement g donc une fréquence rotorique basse, la cage interne de faible résistance est parcourue par la presque totalité du courant rotorique, ce qui réduit le glissement, donc les pertes rotoriques. On peut ainsi obtenir des couples de démarrage Cd de deux à trois fois supérieurs à ceux du rotor à simple cage sans trop augmenter le glissement nominal.

Machine asynchrone à rotor à encoches profondes
Le rotor à double cage est beaucoup plus difficile à construire et d’un coût plus élevé que le rotor à simple cage. On peut pallier cet inconvénient tout en gardant une partie de ses avantages, en construisant une cage rotorique simple avec des barres très plates s’enfonçant profondément dans le circuit magnétique. Lors du démarrage, les lignes de courant se concentrent près de la périphérie et tendent ainsi à assigner une section de conducteur apparente réduite et par conséquent une résistance rotorique importante. Ce type de moteur, est très utilisé, notamment dans le cas des moteurs à haute tension à fort couple de démarrage. Il présente cependant l’inconvénient des enroulements, dont une diminution du facteur de puissance du moteur et bien sûr, d’exiger d’entraîner une augmentation du coefficient de dispersion, un diamètre de rotor plus important. Pour remédier à ce dernier inconvénient, on a parfois fait appel à des conducteurs ayant des formes plus compliquées, en trapèze, voire en L (la base du L étant en fond d’encoche).