Alimentation et Fonctionnement du Moteur Asynchrone : Guide Complet

Le moteur asynchrone, également connu sous le nom de moteur à induction, est un type de moteur électrique couramment utilisé dans les applications industrielles et domestiques. Sa conception permet un fonctionnement efficace et fiable, ce qui en fait un choix populaire pour un large éventail d’utilisations.

Principe de fonctionnement d'un moteur à induction

La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. La machine est dite asynchrone car elle est dans l'impossibilité, sans la présence d'un entraînement extérieur, d'atteindre la même vitesse que le champ statorique. La paternité de la machine asynchrone est controversée.

Composants et Principe de Fonctionnement

Un moteur asynchrone est un type de moteur composé d’un stator, d’un rotor et d’un système de refroidissement. Le rotor est la partie mobile du moteur qui tourne en réponse au champ magnétique créé par le stator. Le stator de votre moteur triphasé correspond à la partie fixe. Il est généralement en fonte ou en aluminium. Ce stator a 3 enroulements, le passage du courant dans ces enroulements créera un champ magnétique à l’intérieur du stator qui permettra la rotation du rotor et donc la transformation de votre énergie électrique en énergie mécanique.

Moteur triphasé

Les courants statoriques créent un champ magnétique tournant dans le stator. La fréquence de rotation de ce champ est imposée par la fréquence des courants statoriques, c’est-à-dire que sa vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation électrique. L'enroulement au rotor est donc soumis à des variations de flux (du champ magnétique). Une force électromotrice induite apparaît et crée des courants rotoriques. Ces courants sont responsables de l'apparition d'un couple qui tend à mettre le rotor en mouvement afin de s'opposer à la variation de flux : loi de Lenz-Faraday.

Le glissement est une grandeur qui rend compte de l'écart de vitesse de rotation d'une machine asynchrone par rapport à la vitesse de rotation de son champ statorique. Il doit y avoir une différence de vitesse pour que ce type de machine fonctionne car c'est le décalage entre le rotor et le champ statorique qui provoque l'apparition des courants induits au rotor, courants qui créent le champ rotorique. En régime, le glissement est toujours faible, de l'ordre de quelques pourcents : de 2 % pour les machines les plus grosses à 6 ou 7 % pour les petites machines triphasées, il peut atteindre 10 % pour les petites machines monophasées.

Le moteur asynchrone utilise un champ magnétique rotatif pour produire un couple et faire tourner l'arbre. Ce champ magnétique est généré par des bobines de cuivre alimentées par un courant alternatif.

Avantages et Inconvénients du Moteur Asynchrone

Comme vous le savez peut-être, chaque moteur a ses propres avantages et inconvénients selon le type d’application sur lequel il est monté ou l’environnement dans lequel il fonctionne.

Les moteurs asynchrones sont des machines robustes généralement connus pour leur durabilité et leur longévité avec un entretien minimal requis. Ils sont également faciles à utiliser et à installer, sans avoir besoin d’appareils complexes pour leur fonctionnement.

En outre, leurs coûts de maintenance sont faibles. La maintenance est généralement très simple à réaliser et donc peu coûteuse (inspections périodiques et changements de roulements, nettoyage des connexions électriques, remplacement des filtres à air...).

Cependant, les moteurs asynchrones peuvent aussi avoir des inconvénients, comme une faible vitesse de rotation. Contrairement aux moteurs synchrones qui fournissent une vitesse de rotation précise ou variable, les moteurs asynchrones ont une vitesse de rotation limitée en fonction de leur alimentation électrique.

Les moteurs synchrones ont une meilleure efficacité énergétique et un rendement supérieur par rapport aux moteurs asynchrones. En général, l'efficacité énergétique des moteurs synchrones et asynchrones dépendra de l'application et des conditions d'utilisation. Les deux types de moteurs peuvent être conçus pour atteindre des niveaux élevés d'efficacité énergétique, et il est important de choisir le type de moteur le mieux adapté à l'application et aux besoins de l'utilisateur pour maximiser l'efficacité énergétique.

Les moteurs asynchrones sont souvent utilisés dans les applications nécessitant un couple élevé au démarrage, tandis que les moteurs synchrones sont souvent utilisés dans les applications nécessitant une vitesse constante et précise.

Applications du Moteur Asynchrone

Le moteur asynchrone est compatible et utilisé sur de nombreuses applications industrielles et domestiques. Nous retrouvons principalement :

• Les pompes : pompes à eau, pompes à huile, pompes à vide
• Les compresseurs : compresseurs d’air, de réfrigération
• Les ventilateurs et les climatiseurs
• Les convoyeurs dans les usines et les entrepôts
• Outils de traitement alimentaires : mélangeur, hachoir, emballeuse…
• Equipements de levage dans les industries : treuils, ponts roulants…
• Les machines-outils : scies motorisées, fraiseuses, rectifieuses, tours, perceuse à colonnes…

Applications des moteurs électriques

Elle est utilisée dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires, remontées mécaniques, automobiles électriques), dans l'industrie (machines-outils), dans l'électroménager.

Démarrage du Moteur Asynchrone

Pour fonctionner en courant monophasé, les machines asynchrones nécessitent un système de démarrage. Quand la machine asynchrone est alimentée 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. Grâce aux progrès de l'électronique de puissance, l'alimentation par un onduleur à fréquence variable permet maintenant de faire démarrer la machine convenablement et de la faire fonctionner avec une vitesse réglable dans une large plage.

Lors d'un démarrage d'une machine asynchrone, le courant d'enclenchement peut atteindre plusieurs fois le courant nominal de la machine. Si l'application utilise un variateur ou un démarreur, c'est ce dernier qui se chargera d'adapter les tensions appliquées à la machine afin de limiter ce courant. En l'absence de variateur de vitesse, il existe plusieurs méthodes permettant de limiter le courant de démarrage.

Plusieurs dispositifs permettent de réduire la tension aux bornes des enroulements du stator pendant la durée du démarrage de la machine ce qui est un moyen de limiter l'intensité du courant de démarrage.

Méthodes de démarrage :

• Démarrage étoile-triangle: La machine est d'abord connectée au réseau avec un couplage étoile, puis une fois démarrée, on passe sur couplage triangle. Le fait de démarrer avec un couplage étoile permet de diviser par 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.
• Démarrage par auto-transformateur: Dans ce mode de démarrage, le stator de la machine asynchrone est relié à un auto-transformateur 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: 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.
• 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 connexions électriques des enroulements rotoriques.

Soit on dispose d'un réseau d'alimentation correspondant aux valeurs de tension de la troisième ligne et on doit réaliser un couplage étoile symbolisé par Y (cas le plus fréquent), soit on dispose d'un réseau d'alimentation correspondant aux valeurs de tension de la quatrième ligne et on doit réaliser un couplage triangle symbolisé par Δ.

Variateur de Vitesse

Un variateur de vitesse est un équipement électrotechnique alimentant une machine électrique de façon à pouvoir faire varier sa vitesse de manière continue, de l'arrêt jusqu’à sa vitesse nominale. La vitesse peut être proportionnelle à une valeur analogique fournie par un potentiomètre, ou par une commande externe : un signal de commande analogique ou numérique, issue d'une unité de contrôle.

Un variateur de vitesse est constitué d'un redresseur combiné à un onduleur. Le redresseur va permettre d'obtenir un courant quasi continu.

Freinage du Moteur Asynchrone

• Freinage hypersynchrone: Lorsque la vitesse du rotor est supérieure à la vitesse du champ tournant, le moteur freine. Couplé à un variateur de fréquence qui diminue progressivement la vitesse on peut arrêter la machine. Le couple de freinage est élevé à condition de générer un champ correspondant à la valeur de glissement optimal du fonctionnement en génératrice (voir les trois domaines de fonctionnement de la machine asynchrone) et de maintenir la décélération dans ce domaine jusqu'à arrêt complet.
• Arrêt par injection de courant continu: L'alimentation en courant continu du stator crée un champ fixe dans la machine qui s'oppose au mouvement. Ce n'est pas la méthode la plus efficace pour freiner la machine (fonctionnement en génératrice décrochée) et les contraintes en courant sont également très sévères.
• Arrêt à contre-courant: Le principe consiste à inverser deux phases pendant un court instant. Ceci est donc équivalent à un freinage hypersynchrone à fréquence fixe et mal géré. Le couple résistant est faible et le courant appelé est également très important (de l'ordre de 10 à 12 fois l'intensité nominale). La conséquence en est que les enroulements de la machine risquent un sur-échauffement : il est conseillé de prévoir des résistances supplémentaires afin de diminuer l'intensité.
• Freinage mécanique par électro-frein: Ce système est constitué d'un frein à disque solidaire de l'arbre de la machine asynchrone et dont les mâchoires initialement serrées hors tension sont commandées par un électroaimant. Après alimentation de l'électroaimant, les mâchoires se desserrent laissant la rotation libre. La coupure de l'alimentation provoque le freinage.

Types de Rotors

• À cage: (rotor en court-circuit) : c'est le plus fréquent. Ce type de rotor a été inventé par Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski au début des années 1890. Ces rotors sont constitués de tôles ferromagnétiques et de barres conductrices régulièrement réparties à la périphérie du rotor. Les barres sont reliées entre elles par deux anneaux de court-circuit. Les tôles ferromagnétiques servent à guider les lignes de champ tandis que les barres accueillent les courants induits.
• À double cage: Le rotor est construit suivant le principe du rotor à cage simple, mais avec deux cages électriquement indépendantes. Une cage externe à la périphérie du rotor est composée de matériaux résistifs (laiton, bronze) et possède une faible dispersion magnétique. Une cage interne en cuivre possède une résistivité plus faible et une dispersion magnétique importante.
• À double encoche ou à encoches profondes: Ce sont des rotors à cage qui utilisent l'effet de peau dans les conducteurs afin de faire varier la résistance du rotor en fonction de la vitesse de fonctionnement de la machine.
• À bague: Le rotor d'une machine à bague est constitué de trois bobines (on parle aussi de rotor bobiné). Chaque bobine est reliée à une bague. Les bagues permettent d'avoir une liaison électrique avec les bobines du rotor. Ce type de rotor a été conçu pour permettre la variation de résistance du rotor en insérant des résistances en série avec les bobines afin de réaliser un démarrage rotorique.

Afin de réaliser le branchement de la machine au réseau, toutes les connexions sont regroupées dans un boîtier, généralement appelé par les électriciens, plaque à bornes.

Tableau Récapitulatif des Méthodes de Démarrage

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