Généralités sur les machines asynchrones

Les machines asynchrones sont des machines tournantes à courant alternatif. Ils peuvent être des générateurs ou des moteurs. Quels que soient les constructeurs de machines tournantes, on classe les différentes pièces selon les trois grandes fonctions ci-après :

➤ Organes électriques : enroulements statoriques, conducteurs rotoriques L’inducteur (stator) est chargé de créer le flux utile et l’induit (conducteur rotorique) est chargé de créer les forces électromagnétiques dans les génératrices ou les couples dans les moteurs.

➤ Organes magnétiques : circuit magnétique fixe, circuit magnétique tournant Les circuits magnétiques ont pour rôle de conduire le flux qui, dans l’entrefer, doit agir les courants circulant dans le circuit électrique.

➤ Organes mécaniques : carcasse avec fixation ou stator, rotor avec l’arbre, roulement à billes, flasques, ventilateur avec son capot, capot de ventilation, tiges de montage, plaque à borne .

Constitution d’une machine asynchrone

Comme dans toutes les machines tournantes, on distingue la partie fixe appelée stator, de la partie tournante appelée rotor. Le stator permet de créer un champ tournant au moyen de courants alternatifs alors que le rotor va créer un champ continu qui va tourner lors de la rotation de la machine. Le couplage entre les deux champs nous permettra d’expliquer le fonctionnement du système.

Le moteur asynchrone fonctionne directement sur le secteur alternatif, sans transformation préalable de l’énergie électrique qui l’alimente. Et les courants qui circulent dans le stator constituent l’unique source externe de champ magnétique. De plus, le rotor n’est pas relié à une source d’énergie, mais il existe bien des courants rotoriques qui participent, eux aussi à la création du champ magnétique, donc ce sont des courants induits.

a) Stator
Il est constitué de trois enroulements (bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasés et possède p paires de pôles. Cet enroulement est presque toujours relié à la source et constitue le primaire. Le stator est un empilement des tôles magnétiques isolées entre elles et dans lequel sont pratiqués des encoches pour loger les enroulements statoriques. C’est la partie fixe de la machine, il possède une forme cylindrique creuse. Les tôles magnétiques de bonne qualité sont disposées perpendiculairement à l’axe pour diminuer la perte dans le fer. Il est aussi pourvu d’une boite à bornes à laquelle est reliée l’alimentation électrique. Les enroulements statoriques sont libres de couplage. Chacune est accessible par ses bornes de connexion. Les entrées des enroulements sont repérés U, V, W et les sorties correspondantes sont X, Y, Z.

b) Rotor
Le rotor, anneau de tôles rainuré à l’extérieur, concentrique au primaire et séparé de stator par un entrefer étroit d’épaisseur constante. Le rotor est un empilement de tôles magnétiques isolées entre elles et dans lequel sont pratiquées des encoches pour loger les enroulements rotoriques. C’est la partie mobile de la machine asynchrone et le siège de grandeurs électromagnétiques variables dont les caractéristiques soient à cage ou bobiné.

➤ Rotor à cage
Le bobinage est réduit à un ensemble de conducteurs dont toutes les extrémités sont reliées entre elles en formant une cage. L’enroulement est remplacé par des barres en cuivre ou en aluminium logées dans des encoches.

➤ Rotor bobiné
Le rotor est bobiné de manière à obtenir p paires de pôles. Il est mis en courtcircuit par l’extérieur à travers de trois bornes liées électriquement par des contacts glissants appelés bagues réalisées en laiton. Les enroulements sont couplés en étoile et les entrées du bobinage sont reliées à trois bagues.

Démarrages de machine asynchrone

La machine accouplée à un moteur asynchrone oppose pendant le démarrage un couple résistant et une inertie qui constituent les facteurs principaux pour le choix d’un moteur et de son mode de démarrage. Voici donc les différents types de démarrage possible.

◆ Démarrage direct
Les enroulements du stator sont couplés directement sur le réseau, le moteur démarre et atteint sa vitesse nominale. C’est un démarrage simple mais brutal car la surintensité peut être 4 à 8 fois du nominale.

◆ Démarrage à résistances statoriques
Il s’effectue aussi en deux temps : la mise en série dans le circuit une résistance qui est ensuite court-circuité.

◆ Démarrage par auto- transformateur
Il s’effectue en 3 temps dont :
1er temps : Autotransformateur monté en étoile, le moteur est alimenté à tension réduite.
2ème temps : ouverture du point étoile, seule la self de la partie supérieur de l’enroulement limite le courant.
3ème temps : Alimentation du moteur sous pleine tension.

Pour obtenir au 2ème temps une valeur normale d’inductance, l’autotransformateur possède souvent un entrefer.

On obtient un couple plus élevé avec une pointe d’intensité plus faible que pour les autres procédés de démarrage. Ce démarrage est utilisé pour les machines de puissance supérieure à 100KW et convient pour les compresseurs relatifs à piston, les pompes, les ventilateurs.

Machines asynchrones à cage

a. Moteurs asynchrones à cage d’écureuil
La cage crée un champ glissant de même nombre de paires de pôles et de même vitesse que le champ glissant du stator. Une force électrique absorbée du stator fait tourner le rotor à une vitesse inférieur à celle de synchronisme.

Du faite de l’impossibilité d’augmenter la résistance rotorique au moyen d’un rhéostat externe, le courant absorbé pendant le démarrage n’est limité que par l’impédance interne du moteur. Donc le démarrage est très brutal car le courant peut atteindre 4 à 6 fois du nominal. Et que ce courant provoque des chutes de tension souvent inacceptables sur les réseaux .

La nécessité d’améliorer les caractéristiques du démarrage a conduit à la création des moteurs asynchrones à cage peu particuliers : avec des rotors à encoches profondes et rotors à double cage. Ces rotors utilisent l’effet pelliculaire qui dans le cas d’un conducteur placé dans une encoche conduit à une concentration de la densité du courant vers le pré encoche. Cet effet pelliculaire est donc à chercher augmenter le couple du démarrage sans diminuer le rendement au régime nominal.

b. Moteurs asynchrones à double cage
Le stator reste le même que précédent mais le rotor est formé par deux cages qui sont constitués différemment. La cage extérieure a une résistance relativement grande pour fournir le couple maximum au démarrage et réduire suffisamment du courant au démarrage. La cage intérieure a une résistance très faible qui donnant un faible glissement en marche normale. Le moteur démarre sur sa cage extérieure donnant un bon couple au démarrage et un appel de courant acceptable. Puis la vitesse augmente, le glissement décroit et proportionnellement à la f é m du rotor. Les courants dans la cage extérieure sont de plus en plus réduits à cause de sa résistance grande. Alors le champ du stator pénètre de plus en plus profondément dans le rotor en atteignant les conducteurs de la cage intérieur. Le moteur fonctionne avec un faible glissement et le rendement du rotor satisfaisant.

c. Génératrices asynchrones
Tout moteur asynchrone peut fonctionner en génératrice asynchrone. Il s’effectue à la condition que la vitesse du champ rotorique soit supérieure à la vitesse du synchronisme. A l’aide d’une force mécanique, le rotor tourne à une vitesse supérieure à une vitesse du synchronisme en transformant l’énergie mécanique en énergie électrique. Les conducteurs du rotor traverseront le champ tournant dans le sens opposés. Alors, la force électromotrice et le courant changeront de sens. La force d’interaction du champ tournant et les courants du rotor changeront également de sens. Le courant magnétisant reste alors le même. Le glissement d’une machine asynchrone fonctionnant en génératrice est négatif. La Machine asynchrone est alors fournie de la puissance active mais elle absorbe toujours de la puissance réactive nécessaire à son alimentation.

Les Machines asynchrones ne possèdent pas comme les alternateurs un circuit d’excitation. Le courant peut être emprunté au réseau en branchant en parallèle à la machine une batterie de condensateur. Il est possible d’utiliser une génératrice asynchrone en dehors d’un réseau c’est-à-dire en fonctionnement autonome pour alimenter une charge isolée. Pour une charge active, la puissance réactive des condensateurs doit être égale à la puissance réactive nécessaire pour produire les flux magnétique du générateur.