Conception des parties actives de la machine asynchrone

Noyau statorique

Il comporte une carcasse en acier renfermant un empilage de tôles identiques qui constituent un cylindre vide, ces tôles sont percées de trous à leur périphérie intérieure. L’alignement de ces trous forme les encoches dans les quels en loge un bobinage triphasé.

Il se compose d’un cylindre de tôles poinçonnées à leur périphérie extérieure pour former les encoches destinées à recevoir des conducteurs. Il est séparé du stator par un entrefer très court de l’ordre 0.4 à 2 mm seulement.

Il existe deux types de rotor :

a) Rotor à cage d’écureuil : est constitué de barres de cuivre nues introduites dans les encoches ; ces barres sont soudées à chaque extrémité a deux anneaux qui les court-circuitent. L’ensemble ressemble à une cage d’écureuil d’où le nom, ou simplement rotor à cage. Dans les moteurs de petites et moyennes puissances, les barres et les anneaux sont formés d’un seul bloc d’aluminium coulé.

b) Rotor bobiné : comprend un bobinage triphasé, semblable à celui du stator, placé dans les encoches. Il est composé de trois enroulements raccordés en étoile ; l’extrémité libre de chaque enroulement est reliée à une bague tournante avec l’arbre. Ces bagues permettent par l’intermédiaire de trois balais, d’insérer une résistance extérieure en série avec chacun des trois enroulements lors du démarrage du moteur. En fonctionnement nominal, les trois balais sont courtcircuités.

Bobinage

On peut effectuer le bobinage d’une machine tournante de plusieurs façons, mais on utilise habituellement un enroulements à une seule ou à deux couches au stator, mais vu la forme des sections on distingue trois types d’enroulement les plus utilisés; l’enroulement concentrique, imbriqué et ondulé. Chaque type présente des avantages dans certaines applications. L’enroulement imbriqué s’emploie généralement pour le bobinage des stators des moteurs de quelques dizaines de kilowatts et plus. L’enroulement ondulé est idéal pour les rotors des moteurs asynchrone a bague. Dans le cas de petits moteurs asynchrones, particulièrement lorsque le bobinage est mécanisé, on utilise généralement l’enroulement concentrique.

Leur disposition dans les encoches différencie ces différents types d’enroulements. L’enroulement concentrique est un bobinage obligatoirement à couche unique, de telle sorte que chaque encoche contient un seul coté de bobine .

Les organes mécaniques

Ils permettent la rotation du rotor (roulements), le maintient des différents sousensembles (Bâti) et le refroidissement du moteur (ventilateur).

Principe de fonctionnement du moteur asynchrone

Le fonctionnement du moteur asynchrone triphasé des principes I (théorème de FERARI), II (loi de Faraday) est basé sur l’application et III (loi de Lenz) de l’électromagnétisme. Au moment où l’on ferme l’interrupteur pour brancher les enroulements du stator sur une ligne triphasée, les tensions appliquées produisent des courants triphasés, ces derniers créent un champ tournant (principe I) qui induit une tension dans les barres du rotor (principe III) cette tension est alternative car les conducteurs sont tantôt devant un pôle nord tantôt devant un pôle sud du champ tournant. Les conducteurs étant court-circuités à leurs extrémités par les deux anneaux, la tension induite donne naissance à des courants intenses dans les barres, ces dernières sont situées dans un champ magnétique ce qui produit des forces électromagnétique (principe II). Les forces tendent à entraîner le rotor dans le sens de rotation du champ.

Quand le moteur asynchrone est alimenté par un réseau à fréquence fixe, il est difficile de faire varier sa vitesse. En outre, au démarrage, le couple est faible et le courant appelé est très élevé. Deux solutions ont résolu ce dernier problème : le rotor à encoches profondes et le rotor à double cage. Grâce aux progrès de l’électronique de puissance, l’alimentation par un onduleur à fréquence variable, permet maintenant de démarrer le moteur convenablement et de le faire fonctionner avec une vitesse réglable dans une large plage.

Démarrage des moteurs asynchrones 

Lors d’un démarrage d’un moteur asynchrone, le courant peut atteindre 8 fois le courant nominal de la machine. Si l’application utilise un variateur, c’est ce dernier qui se chargera d’adapter les tensions appliquées au moteur afin de limiter ce courant. En l’absence de variateur de vitesse, il existe plusieurs méthodes permettant de limiter le courant de démarrage. Elles ont été développées avant l’apparition de l’électronique de puissance mais sont encore utilisées de nos jours dans les installations anciennes ou par mesure d’économie pour des applications ne nécessitant pas de variateur en dehors du démarrage.

Démarrage sous tension réduite

Plusieurs dispositifs permettent de réduire la tension aux bornes des enroulements du stator pendant la durée du démarrage du moteur ce qui est un moyen de limiter l’intensité des courants de démarrage. L’inconvénient est que le couple moteur est également diminué et que cela augmente la durée avant laquelle le moteur atteint le régime permanent.

Démarrage étoile – triangle :
Lors d’un démarrage étoile – triangle, le moteur est d’abord connecté au réseau avec un couplage étoile, puis une fois démarré on passe sur le couplage triangle. Le fait de démarrer avec un couplage étoile permet de diviser par la racine carrée de trois la tension appliquée. Ainsi, le courant maximal absorbé est trois fois plus faible que lors d’un démarrage directement avec un couplage triangle. Le couple de démarrage est lui aussi trois fois plus faible que lors d’un démarrage en triangle. La surintensité lors du passage étoile triangle est inférieure au courant d’appel d’un démarrage effectué directement en triangle. Réalisée simplement à l’aide des contacteurs, cette méthode de démarrage est très économique.

Démarrage par autotransformateur :
Dans ce mode de démarrage le stator du moteur est relié à un autotransformateur qui permet d’effectuer un démarrage sous tension variable. La tension est progressivement augmentée, l’intensité du courant ne dépassant pas la valeur maximale désirée.

Démarrage résistif :
Lors d’un démarrage résistif on insère des résistances en série avec les enroulements statoriques ce qui a pour effet de limiter la tension à leurs bornes. Une fois le démarrage effectué on court-circuite ces résistances .Cette opération peut être effectuée progressivement Par un opérateur à l’aide de rhéostats de démarrage.

Démarrage à tension nominale

Démarrage rotorique :
Lors d’un démarrage rotorique, des résistances de puissance sont insérées en série avec les enroulements du rotor. Ce type de démarrage permet d’obtenir un fort couple de démarrage avec des courants de démarrage réduits mais il ne peut être mis en œuvre qu’avec des machines à rotor bobiné muni de contacts glissants (bagues et balais) permettant les connections électriques des enroulements rotoriques. Ces machines sont d’un prix de revient plus important.