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Machines à courant alternatif
Les machines à courant alternatif sont très utilisées dans l'industrie. Elles permettent de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique ou, dans le cas des génératrices, de réaliser la transformation inverse.
Parmi ces machines, le moteur asynchrone triphasé est certainement le plus utilisé dans les installations industrielles grâce à sa robustesse, sa simplicité de construction et son entretien limité.
Cette page regroupe plusieurs cours consacrés aux machines à courant alternatif ainsi que les principales relations à connaître.
Le moteur asynchrone triphasé
Le moteur asynchrone est constitué principalement de deux parties :
- le stator, partie fixe de la machine ;
- le rotor, partie tournante.
Le stator comporte des enroulements alimentés par un réseau triphasé. Cette alimentation crée un champ magnétique tournant qui entraîne le rotor.
La vitesse du rotor reste légèrement inférieure à celle du champ tournant. C'est cette différence de vitesse qui explique le terme « asynchrone ».
Vitesse de synchronisme
La vitesse du champ tournant, appelée vitesse de synchronisme, dépend de la fréquence du réseau et du nombre de pôles de la machine.
Elle est donnée par :
Ns = 120 × f / P
avec :
- Ns : vitesse de synchronisme en tr/min ;
- f : fréquence en Hz ;
- P : nombre de pôles.
Par exemple, pour un moteur à 4 pôles alimenté sous 50 Hz :
Ns = (120 × 50) / 4 = 1500 tr/min
Le glissement
En fonctionnement moteur, le rotor tourne à une vitesse N légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme Ns.
Le glissement est donné par :
g = (Ns - N) / Ns
En pourcentage :
g (%) = [(Ns - N) / Ns] × 100
Par exemple, si :
Ns = 1500 tr/min
N = 1440 tr/min
alors :
g = (1500 - 1440) / 1500 = 0,04
soit un glissement de :
g = 4 %
Puissance absorbée
Pour un moteur triphasé équilibré, la puissance active absorbée s'écrit :
Pa = √3 × U × I × cos φ
avec :
- U : tension entre phases en volts ;
- I : courant de ligne en ampères ;
- cos φ : facteur de puissance.
Cette relation est souvent utilisée pour calculer la puissance électrique reçue par un moteur triphasé.
Puissance utile et couple
La puissance mécanique utile disponible sur l'arbre est liée au couple et à la vitesse :
Pu = Cu × Ω
avec :
Ω = 2πN / 60
où :
- Pu : puissance utile en W ;
- Cu : couple utile en N·m ;
- Ω : vitesse angulaire en rad/s ;
- N : vitesse en tr/min.
On peut donc calculer le couple par :
Cu = Pu / Ω
Rendement du moteur
Une partie de l'énergie absorbée par le moteur est perdue sous forme de pertes électriques, magnétiques et mécaniques.
Le rendement est :
η = Pu / Pa
ou :
η (%) = (Pu / Pa) × 100
avec :
- Pa : puissance absorbée ;
- Pu : puissance utile.
Bilan de puissance
Dans un moteur asynchrone, on distingue principalement :
- les pertes Joule au stator ;
- les pertes fer ;
- les pertes Joule au rotor ;
- les pertes mécaniques.
La puissance utile obtenue sur l'arbre est donc inférieure à la puissance électrique absorbée.
L'étude du bilan de puissance permet de déterminer le rendement de la machine et de comprendre où se situent les différentes pertes.
Couplage étoile et triangle
Le choix du couplage dépend de la tension du réseau et des tensions indiquées sur la plaque signalétique du moteur.
Couplage étoile (Y)
Dans un couplage étoile :
Uph = U / √3
et :
Iligne = Iph
Couplage triangle (Δ)
Dans un couplage triangle :
Uph = U
et :
Iligne = √3 × Iph
Il faut toujours vérifier la plaque signalétique du moteur avant de choisir le couplage.
Démarrage du moteur asynchrone
Un moteur asynchrone peut être démarré de différentes manières selon sa puissance et l'installation.
Parmi les méthodes étudiées en électromécanique, on trouve notamment :
- le démarrage direct ;
- le démarrage étoile-triangle ;
- le démarrage par démarreur progressif ;
- la commande par variateur de fréquence.
Le démarrage direct est simple, mais il provoque un courant de démarrage important. Le démarrage étoile-triangle permet de limiter ce courant lorsque le moteur et l'installation sont adaptés à cette méthode.