Applications des machines asynchrones triphasées

Électrotechnique

Lorsqu'on veut utiliser un moteur asynchrone triphasé pour une application particulière, on se rend compte que plusieurs types de moteurs remplissent les exigences de la charge. Il faut donc faire un choix.

Le problème est généralement simplifié du fait que le fabricant du tour, du ventilateur, de la pompe, etc., indique la catégorie de moteur convenant le mieux à la charge à entraîner.

Il est cependant très utile de connaître les caractéristiques de construction et d'utilisation des différents types de moteurs asynchrones triphasés, car ce sont elles qui en déterminent le choix.

Nous étudierons aussi dans cette section le principe de fonctionnement d'une génératrice asynchrone et d'un convertisseur de fréquence.

Standardisation et classification des moteurs asynchrones

Tous les moteurs industriels de puissance inférieure à 500 HP ont des carcasses dont les dimensions importantes ont été standardisées par des organismes de normalisation.

Mentionnons la Canadian Electrical Manufacturers Association (CEMA), l'Association Canadienne de normalisation (CSA), la National Electrical Manufacturer's Association (NEMA). En général, les normes de CEMA (Canada) et de NEMA (États-Unis) sont identiques

Ainsi, le moteur de 25 HP, 1725 r/min, 60 Hz d'un fabricant peut être remplacé par celui d'un autre fabricant sans qu'il soit nécessaire de changer les trous de fixation, la hauteur de l'arbre ou le mode d'accouplement.

La standardisation ne couvre pas seulement l'aspect mécanique; elle dicte également les exigences minimales en ce qui concerne les caractéristiques électriques des moteurs.

Ainsi, les moteurs doivent satisfaire aux valeurs limites établies pour le couple de démarrage, le courant de démarrage, la capacité de surcharge, l'échauffement et les normes de sécurité.

Classification selon les conditions environnementales

Selon les conditions environnementales auxquelles on les destine, les moteurs peuvent être classés en cinq types principaux:

1. Moteurs abrités («Drip-proof»).

Leur carcasse protège les bobinages contre la chute des particules solides et liquides qui tombent verticalement à un angle compris entre 0° et 15° de la verticale. Ils sont ventilés par l'intérieur, grâce à un ventilateur solidaire du rotor. Leur échauffement par résistance peut être de 60 °C, 80 °C, 105 °C ou 125 °C selon la classe d'isolation utilisée. Ces moteurs sont utilisables dans la plupart des applications (Fig. 34-1).

Figure 34-1 Moteur abrité à haut rendement ayant une capacité de 3 hp, 1750 r/min, 230 V/460 V, 3 phases, 60 Hz

2. Moteurs étanches aux éclaboussures («Splash-proof»).

Leur carcasse protège les bobinages contre la chute des particules solides ou liquides qui tombent à un angle compris entre 0° et 100° de la verticale. Leur ventilation se fait aussi par l'intérieur. Leur limite d'échauffement admissible est la même que celle des moteurs abrités. Ces moteurs sont surtout employés dans les endroits humides.

3. Moteurs blindés («Totally enclosed, non-ventilated»).

Ils comportent une enveloppe empêchant toute communication directe entre l'intérieur du moteur et le milieu ambiant. Ils sont destinés aux locaux très humides ou très poussiéreux.

Ces moteurs sont habituellement de faible puissance ; l'évacuation de la chaleur s'y fait difficilement, car ils ne comportent ni ventilation intérieure, ni ventilation extérieure (Fig. 34-2).

On leur permet un échauffement par résistance de 65 °C, 85 °C, 110 °C ou 130 °C selon leur mode d'isolation.

Figure 34-2 Moteur blindé pour pompe centrifuge

4. Moteurs blindés avec ventilateur extérieur («Totally enclosed, fan-cooled»).

Le refroidissement des moteurs fermés de moyenne et grande puissances, servant dans les conditions défavorables, est assuré par une ventilation extérieure forcée; il suffit de souffler de l'air entre la carcasse du moteur et une seconde enveloppe concentrique (Fig. 34-3). On leur permet le même échauffement que pour les moteurs abrités.

Figure 34-3 a. Vue éclatée d'un moteur blindé avec ventilateur extérieur ; b. Même moteur assemblé

5. Moteurs anti explosifs («Explosion-proof»).

Ces moteurs sont utilisés quand le milieu environnant présente des dangers d'explosion (mines de charbon, raffinerie de pétrole, moulins à grain).

Ils sont toujours fermés hermétiquement; de plus, leur carcasse peut résister à l'énorme pression qui résulterait d'un violent court-circuit interne (Fig. 34-4). On leur permet le même échauffement que pour les moteurs blindés.

Figure 34-4 Moteur anti explosif avec ventilateur extérieur. Noter la construction particulièrement robuste

Classification selon les caractéristiques électriques et mécaniques

En plus de pouvoir choisir parmi les catégories environnementales, l'usager peut également opter pour une grande variété de moteurs triphasés offrant des caractéristiques électriques et mécaniques diverses.

Nous ne donnons ici que les principales catégories :

1. Moteurs à couple de démarrage normal (CEMA classe B).

La grande majorité des moteurs asynchrones appartient à ce groupe. Ces moteurs, d'usage général, peuvent entraîner des ventilateurs, des pompes centrifuges, des machines-outils, etc.

2. Moteurs à couple de démarrage élevé (CEMA classe C).

Ces moteurs sont utilisés dans les cas où le démarrage est difficile ou d'une durée plutôt longue. Les pompes et les compresseurs à piston qui démarrent en charge doivent être entraînés par de tels moteurs. Ces moteurs comportent, en général, un rotor spécial à double cage.

3. Moteurs à glissement élevé (CEMA classe D).

En plus de développer un couple de démarrage très élevé, ces moteurs ont un bas courant de démarrage.

Ainsi, les moteurs qui entraînent des charges à grande inertie (comme un séchoir centrifuge) démarrent lentement ; leur courant de démarrage doit donc être assez faible pour éviter l'échauffement excessif des bobinages.

La vitesse nominale de ces moteurs est d'environ 10 % plus faible que leur vitesse synchrone. Cette caractéristique est parfois mise à profit pour l'entraînement de machines telles que cisailles, poinçonneuses et presses.

Celles-ci comportent un volant qui emmagasine de l'énergie mécanique et la restitue lorsque de fortes surcharges sont brusquement appliquées. Ces moteurs sont aussi employés avec des appareils de levage.

Cependant, dans tous les cas, leur régime de charge dot être intermittent afin de prévenir tout échauffement excessif. La cage d'écureuil de ces moteurs est généralement en laiton.

Le graphique de la Fig. 34-5 permet de comparer les caractéristiques couple-vitesse de ces différents moteurs.

Figure 34-5 Courbes du couple en fonction de la vitesse pour moteurs de classe B, C et D de CEMA. Chaque courbe donne les couples minimaux de démarrage, d'accélération et de décrochage pour un moteur triphasé à cage d'écureuil de 60 Hz. La vue en coupe du rotor indique le genre de conducteurs utilisés

Les détails de construction de leurs rotors y sont également indiqués. Remarquer que les différentes caractéristiques sont obtenues surtout par des changements effectués sur le rotor.

Ainsi, plus la résistance de la cage d'écureuil est élevée, plus le couple de démarrage est grand et plus la vitesse nominale est basse.

L'emploi du laiton au lieu du cuivre dans le rotor a pour effet d'augmenter sa résistance et, par conséquent, son couple.

Par contre, plus la résistance du rotor est considérable, plus les pertes dans celui-ci sont grandes en régime normal, et plus le rotor s'échauffe.

Le fonctionnement du rotor à double cage (moteur classe C) est basé sur le fait que la fréquence du courant rotorique diminue à mesure que la vitesse du moteur croît, et que la réactance inductive est plus grande pour un conducteur logé profondément dans l'acier (cage 2) que pour un autre placé près de la surface du rotor (cage 1).

De plus, à cause de sa petite section, la résistance de la cage 1 est sensiblement plus grande que celle de la cage 2.

Au moment où le moteur est mis sous tension, la fréquence du courant dans le rotor est égale à celle de la ligne d'alimentation.

La réactance inductive de la cage 2 est alors élevée, de sorte que le courant circule surtout dans la cage 1 à haute résistance.

À mesure que le moteur accélère, la réactance inductive des deux cages d'écureuil baisse et, finalement, lorsque le moteur marche en régime normal, elle devient tellement basse que le courant dans le rotor est limité seulement par les résistances en parallèle de la cage 1 et de la cage 2.

On peut constater que la valeur de la résistance effective du rotor est élevée au démarrage et basse en régime normal.

Grosseur des moteurs

Le tableau 34-1 donne les dimensions approximatives de la gamme des moteurs asynchrones compris entre 0.75 kW et 7500 kW.

Remarquer qu'un moteur de 750 kW n'est pas mille fois plus gros qu'un moteur de 0.75 kW, ce qui explique son prix relativement bas.

En effet, les dimensions et la masse d'un appareil augmentent toujours moins rapidement que sa puissance.

Choix de la vitesse des moteurs asynchrones

Le choix de la vitesse des moteurs asynchrones est limité du fait que la vitesse synchrone est déterminée uniquement par la fréquence du réseau et par le nombre de pôles de la machine.

Ainsi, lorsque la source d'alimentation est de 60 Hz, il est impossible de construire un moteur asynchrone ayant un rendement acceptable et dont la vitesse serait, disons, de 2000 r/min.

Un tel moteur aurait nécessairement deux pôles, mais comme la vitesse synchrone est alors de 3600 r/min, il s'ensuit que le glissement serait (3600 - 2000)/3600 = 0,44.

Cela implique que 44 % de la puissance fournie au rotor serait dissipée sous forme de chaleur, donnant ainsi un très mauvais rendement.

Pour une application particulière, le choix de la vitesse du moteur est fixé par la nature de la charge à entrainer.

Dans le cas de charges devant tourner à basse vitesse, il est souvent plus avantageux d'utiliser un moteur à haute vitesse avec un réducteur de vitesse (engrenage, poulie) au lieu d'un moteur à basse vitesse accouplé directement à la charge. Les avantages d'un moteur équipé avec une boîte de vitesses sont les suivants :

1. pour une puissance donnée, l'encombrement et le coût d'un moteur à haute vitesse sont plus petits que pour un moteur à haute vitesse;

2. le rendement et le facteur de puissance des moteurs asynchrones sont d'autant plus haut que la vitesse est plus haute ;

3. le couple de démarrage relatif (en p.u.) d'un moteur à haute vitesse est toujours plus fort que celui d'un moteur à basse vitesse de même catégorie.

À titre d'exemple, comparons les caractéristiques de deux moteurs triphasés de 10 hp, 60 Hz, ayant des vitesses synchrones différentes (tableau 34-2).

L'écart dans les prix justifie à lui seul l'emploi d'un moteur à haute vitesse avec un système de poulies et de courroie pour entraîner une charge à 900 r/min.

Lorsque des moteurs doivent tourner à des vitesses très basses (200 r/min ou moins), le choix d'une boîte de vitesses s'impose. Les engrenages font souvent partie intégrante de l'unité motrice (Fig. 34-6) et sont habituellement peu encombrants.

Figure 34-6 Moteur asynchrone de 2,25 kW, 1740 r/min, 60 Hz avec engrenage réducteur. La vitesse et le couple à la sortie sont respectivement de 125 r/min et 172 N •m

On a aussi recours à une boîte de vitesses lorsqu'on doit entraîner une charge à une vitesse supérieure à 3600 r/min.

Par exemple, dans une application industrielle où la fréquence disponible est de 60 Hz, un compresseur de 1200 hp, 5000 r/min est entraîné par un moteur asynchrone tournant à 3560 r/min.

Moteurs à deux vitesses

On peut bobiner le stator d'un moteur à cage d'écureuil de telle sorte que le moteur tourne à deux vitesses différentes.

Ces moteurs sont utilisés sur les ventilateurs, les pompes et les perceuses à colonne. Une méthode simple consisterait à utiliser deux enroulements distincts, ayant, par exemple, respectivement 4 et 6 pôles.

L'inconvénient de cette technique est qu'un seul enroulement est en service à la fois, de sorte que seulement la moitié du cuivre dans les encoches est utilisée. C'est pourquoi on a inventé des enroulements spéciaux dont on peut faire varier le nombre de pôles simplement en changeant les connexions extérieures.

Les vitesses synchrones ainsi obtenues sont toujours dans un rapport de 2 à 1 : 3600/1800 r/min; 1200/600 r/min, 900/450 r/min, etc.

Considérons, par exemple, l'enroulement d'une phase d'un moteur triphasé, à 2 pôles, 60 Hz, (Fig. 34-7a).

Figure 34-7

a. Les deux bobines connectées en série produisent un pôle nord et un pôle sud. Noter que I₁ = I₂.

b. Lorsque les bobines sont connectées en parallèle, il en résulte deux pôles nord, car le courant I₂ circule dans le sens inverse du précédent. Les deux pôles sud sont des pôles conséquents

L'enroulement est composé de deux groupes (pôles) connectés en série et la prise 4 est amenée à la boîte de connexions avec les fils 1 et 2.

Si l'alimentation est branchée entre les bornes 1 et 2, on obtient un pôle nord et un pôle sud; selon l'équation (33-1), la vitesse synchrone de ce moteur est:

n_s = 120 f / p = 120 x 60 / 2 = 3600 r/min

Relions maintenant les bornes 1 et 2 et branchons l'alimentation entre la jonction obtenue et la borne 4.

Les courants I₁, I₂ doivent donc circuler dans le sens indiqué sur la Fig. 34-7b.

Cette connexion crée maintenant deux pôles de même polarité, soit deux pôles nord au moment où les courants alternatifs circulent dans le sens indiqué.

D'autre part, comme tout pôle nord implique l'existence d'un pôle sud, il se produit deux pôles sud intercalés entre ces deux pôles nord.

Les pôles sud ainsi créés sont appelés pôles conséquents.

La nouvelle connexion produit donc 4 pôles en tout et la vitesse synchrone correspondante est de 1800 r/min. En d'autres termes, il est possible de doubler le nombre de pôles d'un moteur simplement en changeant ses connexions.

C'est ce principe qu'utilisent la plupart des moteurs asynchrones à deux vitesses.

Noter que dans ces machines, le pas des bobines doit être égal au pas polaire de la basse vitesse. La Fig. 34-8 est un diagramme schématique montrant les connexions du stator pour une machine triphasée à deux vitesses ayant 4 pôles et 8 pôles, respectivement.

Figure 34-8

a. Connexions d'un moteur triphasé donnant 4 pôles (haute vitesse).

b. Connexions du même moteur donnant 8 pôles (basse vitesse). Le moteur développe la même puissance aux deux vitesses.

Six fils numérotés 1 à 6 sont logés dans la boîte de connexions du moteur.

Pour la haute vitesse, la ligne triphasée est connectée aux bornes 1, 2, 3 et les bornes 4, 5, 6 sont ouvertes.

Cette connexion en triangle produit deux pôles N et deux pôles S alternés, soit un total de 4 pôles (Fig. 34-8a).

Il est entendu que les pôles à l'intérieur du moteur suivent la séquence N-S-N-S.

Pour la basse vitesse, les bornes 1, 2, 3 sont mises en court-circuit, et la source est branchée entre les bornes 4. 5, 6. Il en résulte une connexion en double étoile parallèle, créant sur chaque phase quatre pôles de même polarité (Fig. 34-8b).

Quatre autres pôles conséquents de polarité inverse sont automatiquements créés, donnant ainsi un total de 8 pôles.

Ces machines possèdent un rendement et un facteur de puissance inférieurs à ceux des moteurs conventionnels. Ils peuvent être construits pour fournir une puissance constante, un couple constant ou un couple variable, selon le type de charge à entraîner.

Dans le cas des ventilateurs et des pompes centrifuges, le couple et le débit varient avec le carré de la vitesse. On choisira donc un moteur à couple variable.

La vitesse étant réduite de moitié, le débit (m³ / min) chute à (1/2)², soit 1/4 du débit original.

Cependant, cette variation de débit est trop grande pour certaines applications. Afin de surmonter ce problème, on a conçu des moteurs à cage dont le rapport des vitesses est inférieur à 2.

Avec ces moteurs spéciaux, appelés moteurs PAM, on peut obtenir des rapports de vitesse tels que 8 :10, 14:16, 26:28, 10:14 et 38:46.

PAM est l'abréviation anglaise de : «Pole Amplitude Modulation».

Ces moteurs sont utilisés pour entraîner les gros ventilateurs à débit variable dont la puissance est de quelques centaines de kilowatts.

Le moteur PAM offre l'avantage de réduire la vitesse d'un ventilateur, sans que la réduction de débit soit excessive.

Par exemple, les connexions du stator d'un moteur PAM à 38 pôles peuvent être changées pour passer à 46 pôles.

Sur un réseau à 60 Hz, les vitesses synchrones correspondantes sont respectivement de 189,5 r/min et 156,5 r/min. Le débit est donc réduit par un facteur:

(156,5/189,5)² = 0,68.

Moteur asynchrone fonctionnant comme frein

Certaines applications industrielles imposent au moteur asynchrone des modes de fonctionnement que nous avons ignorés jusqu'ici.

Par exemple, lorsqu'on désire provoquer un arrêt rapide, on utilise le freinage par inversion. On intervertit deux fils de ligne de sorte que le champ tourne en sens inverse du rotor. Le moteur agit alors comme frein.

Lorsque le moteur fonctionne comme frein, il absorbe l'énergie cinétique des parties tournantes si bien que la vitesse diminue. Cette énergie absorbée est entièrement dissipée en chaleur dans le rotor.

De plus, ce dernier reçoit toujours une puissance P_r du stator qui est également dissipée en chaleur. Le freinage par inversion produit donc des pertes Joule P_jr importantes dans le rotor; elles sont même supérieures aux pertes produites lorsque le moteur est bloqué (Fig. 34-9).

Figure 34-9 Lors du freinage par inversion, la puissance mécanique de freinage P_m s'ajoute à la puissance Pr pour donner des pertes Joule P_jr très élevées dans le rotor.

On doit donc éviter de freiner trop souvent un moteur de cette façon, sinon les températures élevées risquent de détériorer les isolants, et même de faire fondre les barres du rotor.

Effets de l'inertie

Lors de l'étude des moteurs à courant continu, on a vu qu'une grande inertie occasionne un démarrage pénible et un temps d'arrêt très long.

Les mêmes remarques s'appliquent aux moteurs asynchrones ; de plus, il est bon de retenir les deux règles suivantes s'appliquant à ces machines:

1. lorsqu'on démarre un moteur asynchrone, la chaleur dissipée dans le rotor pendant la période de démarrage est égale à l'énergie cinétique emmagasinée dans les parties tournantes ;

2. lorsqu'on arrête un moteur par inversion, la chaleur dissipée dans le rotor pendant la période de freinage vaut trois fois l'énergie cinétique qui était emmagasinée dans les parties tournantes.

Ces règles sont valables quelles que soient la tension appliquée et la forme de la courbe couple/vitesse.

Il suffit que la vitesse passe d'une valeur nulle à sa valeur nominale pendant la période de démarrage et inversement pendant la période de freinage.

Exemple 34-1

Un moteur asynchrone de 100 kW, 60 Ha, 1175 r/min est accouplé à un volant par un engrenage.

L'énergie cinétique de toutes les parties tournantes est de 300 kJ lorsque le moteur a atteint sa vitesse nominale.

On intervertit deux fils rie lie=ue afin de freiner le moteur jusqu'à une vitesse nulle et on le laisse aller dans le sens inverse jusqu'à la vitesse de 1175 r/niin.

 Quelle est l'énergie dissipée dans le rotor?

Solution

Pendant la période de freinage, le moteur passe de 1175 r/min à une vitesse nulle.

La chaleur dissipée dans le rotor vaut alors 3 fois l'énergie cinétique :

Q_{décélération} = 3 X 300 kJ = 900 kJ

Le moteur accélère ensuite pour atteindre sa vitesse nominale dans le sens inverse. La chaleur dissipée dans le rotor pendant cette période est alors égale à l'énergie cinétique emmagasinée:

Q_{accélération} = 1 x 300 kJ = 300 kJ

La chaleur totale dissipée dans le rotor vaut donc :

Q = Q_{décélération} + Q_{accélération} = 900 + 300 = 1200 kJ

Lorsqu'il faut accélérer et freiner des charges de grande inertie, les moteurs à rotor bobiné sont à recommander, car l'énergie absorbée par le rotor peut être dissipée surtout dans les résistances extérieures.

De plus, en faisant varier les résistances extérieures de façon appropriée, le couple de démarrage ou de freinage peut être maintenu à une valeur élevée.

Cela permet d'obtenir une accélération et une décélération sensiblement plus rapides que celles obtenues avec un moteur à cage d'écureuil.

Freinage par courant continu

On peut arrêter rapidement un moteur asynchrone et sa charge en faisant circuler un courant continu dans les enroulements du stator. Il suffit de brancher deux des trois bornes à une source à courant continu.

Le courant continu produit dans le stator autant de pôles N, S qu'en fonctionnement normal, mais cette fois les pôles sont stationnaires.

Ainsi, un moteur asynchrone à 8 pôles produira 4 pôles N et 4 pôles S quelle que soit la façon dont les bornes sont raccordées à la source à c.c.

Lorsque le rotor tourne dans le champ stationnaire, une tension alternative est induite dans les barres. Il en résulte des courants alternatifs et des pertes Joule dans le rotor qui réduisent d'autant l'énergie cinétique des parties tournantes.

Lorsque toute l'énergie cinétique est dissipée en chaleur dans le rotor, le moteur s'arrête.

Le freinage par courant continu possède l'avantage de dissiper dans le rotor seulement le tiers de l'énergie requise par la méthode d'inversion.

L'énergie dissipée est indépendante du courant continu qui circule dans le stator. Cependant, un faible courant augmente le temps de freinage.

Comme le couple de freinage augmente avec le carré du courant continu circulant dans le stator, on a avantage à faire circuler un courant de l'ordre de 2 à 6 fois le courant nominal si l'on désire un freinage rapide.

Exemple 34-2

Soit un moteur asynchrone triphasé de 50 hp, 440 V. 1760 r/min, 60 Hz, entraînant une charge dont le moment d'inertie est de 5 kg m².

La résistance entre deux bornes du stator est de 0,32 Ω, et le courant nominal est de 62 A.

On désire freiner le moteur en branchant une batterie de 24 V aux bornes du stator.

Calculer: a) la valeur du courant continu dans le stator

b) l'énergie dissipée dans le rotor

c) le couple moyen de freinage si le moteur s'arrête en 6 s

Solution

a) Le courant dans le stator est:

I = E / R = 24V / 0,32 Ω = 75A

Ce courant est de 21 % supérieur au courant nominal, mais comme le freinage est de courte durée, le stator
ne surchauffera pas.

b) L'énergie cinétique du rotor et de sa charge est:

W = 5,48 X 10^-3 J n²     éq. 1-7b

= 5,48 x 10^-3 x 5 x 1760² = 85 kJ

Le rotor absorbe 85 kJ durant la période de freinage.

c) Le couple moyen de freinage est calculé avec l'équation 1-14:

Δn = 9,55 T Δr / J  éq.1-14

(1760 - 0) = 9,55 T x 6 / 5

d'où T = 154 Nm

Conditions anormales de fonctionnement

Quand un moteur asynchrone ne fonctionne pas normalement, la cause peut être interne (court-circuit, coupure d'un conducteur du stator, échauffement des paliers), ou externe.

Au nombre des causes externes, mentionnons:

1. la surcharge mécanique

2. la variation de la tension d'alimentation

3. la rupture d'un fil d'alimentation

4. la variation de la fréquence du réseau L'effet de ces quatre paramètres est traité successivement dans les quatre sections qui suivent.

D'après les normes de CEMA, un moteur doit fonctionner de façon satisfaisante pour des variations de la tension nominale n'excédant pas ± 5 %.

Par ailleurs, si la tension et la fréquence varient, la somme des deux écarts ne doit pas dépasser 10 %.

Enfin, les machines doivent fonctionner à des altitudes inférieures à 1000 m. En effet, en altitude l'air est moins dense et son pouvoir de refroidissement diminue, ce qui peut provoquer un échauffement excessif.

Surcharge mécanique

Bien que les moteurs asynchrones conventionnels puissent développer, de façon intermittente, une puissance double de leur puissance nominale, on ne peut leur appliquer continuellement une surcharge, même de seulement 20 % de la pleine charge.

Autrement, l'échauffement du moteur dépasserait les limites permises et la durée de vie du moteur serait réduite de façon appréciable à cause de la détérioration de l'isolement.

En pratique, puisque le courant du moteur augmente avec la charge, les relais de surcharge thermiques provoquent l'arrêt du moteur avant que sa température n'atteigne une valeur dangereuse.

Certains moteurs abrités sont toutefois conçus pour supporter continuellement, sans danger, une surcharge de 15 %. Leur capacité de surcharge est indiquée sur la plaque signalétique par le coefficient de surcharge = 1,15 («service factor»).

En cas d'urgence, un moteur abrité peut supporter une surcharge de l'ordre de 50 % à condition qu'on assure une ventilation extérieure énergique.

Ceci n'est pas recommandable pour une durée prolongée, car même si la surface de la carcasse est tiède, la température des bobinages à l'intérieur peut être très élevée.

Variation de la tension d'alimentation La conséquence la plus importante résultant d'une variation de la tension d'alimentation est le changement de couple qu'elle occasionne.

En effet, pour une vitesse donnée, le couple développé par un moteur asynchrone est proportionnel au carré de la tension d'alimentation.

Si la tension diminue de 10 %, par exemple, le couple diminue de 19 %.

Pendant le démarrage, le fort courant tiré du réseau occasionne parfois une baisse de tension importante, dépendant de la capacité du réseau.

Si la tension d'alimentation est trop élevée, le flux augmente, ce qui provoque une augmentation du courant magnétisant. Ceci a pour effet de diminuer le facteur de puissance du moteur et d'augmenter les pertes dans le fer.

Cependant, tant que la tension n'excède pas 1,1 p.u., l'échauffement, le rendement et le facteur de puissance demeurent acceptables. Un léger déséquilibre des tensions triphasées produit un déséquilibre très marqué des courants du stator.

Cela se traduit par une augmentation des pertes et une augmentation de température du moteur. Un déséquilibre des tensions de 3,5 % seulement peut faire augmenter la température de 15 °C.

Lorsqu'une des tensions de ligne s'écarte de plus de 2 % de la valeur moyenne des trois tensions, il est recommandé d'avertir le distributeur d'électricité.

Par exemple, pour une artère dont les tensions ligne à ligne sont respectivement de 615 V, 600 V et 621 V la valeur moyenne est de 612 V. L'écart maximal est alors (621 - 600)/612 = 0,034 ou 3,4 %, ce qui excède le maximum tolérable.

Rupture d'un fil d'alimentation

Si l'un des fils d'alimentation est coupé ou si l'un des fusibles fond quand un moteur asynchrone triphasé est en marche, le moteur est alimenté en monophasé.

S'il n'est pas trop chargé, il continuera à tourner, mais il tirera, des deux autres conducteurs, un courant environ 1,8 fois plus intense qu'avant la coupure.

Encore une fois, si le courant est trop grand, les relais thermiques se déclencheront avant que les bobinages soient endommagés.

Par contre, si la charge est assez forte, la vitesse du moteur tombe brusquement jusqu'à l'arrêt et le courant monte à environ 90 % du courant de démarrage nominal.

Les relais thermiques ou les fusibles doivent alors s'ouvrir avant que le moteur soit endommagé. Lorsqu'un moteur triphasé fonctionne subitement en régime monophasé, la caractéristique du couple en fonction de la vitesse est sérieusement compromise.

Le couple de décrochage tombe à environ 50 % de sa valeur originale et le moteur ne développe plus aucun couple de démarrage.

La Fig. 34-10 montre les courbes du couple en fonction de la vitesse lorsqu'un moteur fonctionne normalement en triphasé et lorsqu'il fonctionne en monophasé.

Figure 34-10 Courbes typiques du couple en fonction de la vitesse lorsqu'un moteur triphasé fonctionne normalement et lorsqu'il fonctionne en monophasé

On constate que les deux courbes se suivent d'assez près jusqu'au couple de décrochage monophasé. 60 80 100 % 34.14 Variation de la fréquence À moins d'une panne majeure, il ne se produit jamais de changement de fréquence important sur les grands réseaux.

Cependant, la fréquence peut varier sur les réseaux isolés de faible capacité qui génèrent l'énergie électrique à partir de moteurs diésel ou de turbines à gaz.

Mentionnons les alimentations d'urgence des hôpitaux, le réseau électrique des bateaux et les génératrices alimentant les camps de construction sur les sites éloignés.

La conséquence la plus importante résultant d'une variation de fréquence est le changement de vitesse qu'elle occasionne. La vitesse synchrone du champ tournant étant proportionnelle à la fréquence, il se produit un changement correspondant dans la vitesse du moteur: si la fréquence diminue de 3 %, la vitesse baisse de 3 %.

Les machines-outils et autres équipements motorisés importés de pays où la fréquence est de 50 Hz peuvent créer des problèmes lorsqu'ils sont branchés sur un réseau à 60 Hz. Ces appareils tournent alors à une vitesse de 20 % supérieure à leur régime normal, ce qui peut être inacceptable.

Dans ces circonstances, on doit réduire la vitesse au moyen d'engrenages ou installer une source indépendante à 50 Hz. Un moteur à 50 Hz peut être branché sur un réseau à 60 Hz mais, pour maintenir le flux à sa valeur normale, la tension d'alimentation devrait être augmentée à 6/5 ou 120 % de la valeur nominale inscrite sur la plaque signalétique.

Le couple de décrochage est alors le même qu'auparavant, et le couple de démarrage est légèrement inférieur. Le facteur de puissance, le rendement et l'échauffement demeurent presque les mêmes. Inversement, un moteur à 60 Hz peut fonctionner sur un réseau à 50 Hz, mais la tension doit être réduite à 5/6 ou à 83 % de sa valeur nominale. Sa puissance est alors réduite dans les mêmes proportions.

Dans ces circonstances, les couples de décrochage et de démarrage demeurent presque les mêmes qu'auparavant. Le rendement, le facteur de puissance et l'échauffement demeurent acceptables.

Moteur asynchrone fonctionnant comme génératrice

Considérons une locomotive électrique munie d'un moteur asynchrone. Lorsque le train monte une côte, le moteur fonctionne normalement et développe un couple suffisant pour vaincre les frottements et la force de gravité.

Au sommet, et sur terrain plat, la force de gravité n'agit plus et le moteur ne doit plus vaincre que les frottements causés par les rails et le déplacement de l'air.

Comme la charge est moindre, la vitesse augmente légèrement mais demeure toujours inférieure à la vitesse synchrone.

Qu'arrive-t-il lorsque le train commence à descendre la côte?

La force de gravité vient aider le moteur, de sorte qu'il commence à tourner à une vitesse supérieure à la vitesse synchrone. On constate alors que le moteur développe un couple s'opposant à l'augmentation de vitesse. Ce couple a le même effet qu'un frein, sauf que la puissance mécanique des roues est renvoyée au réseau sous forme de puissance électrique.

Un moteur asynchrone tournant au-dessus de sa vitesse synchrone agit donc comme génératrice. On l'appelle alors génératrice asynchrone.

Bien que l'on utilise rarement des moteurs asynchrones pour la traction des trains (Fig. 34-11), il existe plusieurs applications industrielles qui imposent au moteur des conditions d'opération semblables.

Figure 34-11 Cette automotrice fait la navette entre Zermatt (1604 m) et Gornergrat (3089 m), Suisse. La traction est assurée par 4 moteurs triphasés à rotor bobiné de 78 kW, 1470 r/min, 700 V, 50 Hz. Deux phases sont alimentées par des conducteurs aériens et la troisième est reliée aux rails.

La pente très raide nécessite l'emploi d'une traction à crémaillère, utilisant des roues dentées de 573 mm de diamètre. La vitesse peut être ajustée de zéro à 14,4 km/h grâce à des résistances insérées dans le circuit du rotor. En régime continu, l'effort de traction à la jante est de 78 kN.

Lors de la descente, les moteurs tournent à une vitesse légèrement supérieure à leur vitesse synchrone. Ils fonctionnent alors en génératrices asynchrones et ils renvoient l'énergie dans le réseau tout en freinant le véhicule.

En cas de panne d'électricité, on a prévu, en plus des freins mécaniques, le système d'urgence utilisant le principe décrit à la section 34.9. On fait circuler un courant continu de 55 A dans deux phases du stator de chacun des moteurs à rotor bobiné. Le courant continu est fourni par deux génératrices également accouplées aux roues dentées

Dans les grues, par exemple, le moteur est parfois forcé de tourner à des vitesses dépassant la vitesse synchrone. Dans ce cas, le moteur fonctionne en génératrice asynchrone ; il tire sa puissance de l'énergie accumulée précédemment dans la charge mécanique et il la renvoie dans le réseau.

On peut réaliser une génératrice asynchrone en accouplant un simple moteur à cage d'écureuil à un moteur à explosion (Fig. 34-12).

Figure 34-12 Génératrice asynchrone raccordée à un réseau triphasé. Lorsque le moteur à explosion entraîne le moteur à une vitesse supérieure à la vitesse synchrone, la machine asynchrone fonctionne en génératrice.

Si la vitesse d'entraînement dépasse la vitesse synchrone d'un faible pourcentage seulement, le moteur devient une source débitant une puissance active P dans le réseau.

Cependant, pour créer son champ magnétique, la machine a besoin d'une puissance réactive Q. Comme celle-ci peut seulement provenir du réseau, les kilovars Q circulent en sens contraire des kilowatts P..

La puissance réactive requise peut être fournie par une batterie de condensateurs branchée aux bornes de la machine; dans ce cas, on peut alimenter une charge sans que le réseau soit requis (Fig. 34-13). La fréquence générée est alors légèrement inférieure à celle correspondant à la vitesse d'entraînement.

Figure 34-13 Génératrice asynchrone autonome. Les condensateurs fournissent la puissance réactive requise par le champ magnétique.

Ainsi, un moteur à 4 pôles, entraîné à une vitesse de 2400 r/min produit une fréquence légèrement inférieure à :

f = pn / 120 =  4 x 2400 / 120 = 80 Hz

La valeur de la tension augmente avec la valeur des capacitances mais elle est limitée par la saturation de l'acier. Par contre, si la capacitance n'est pas suffisante, la génératrice ne peut s'amorcer.

En pratique, la batterie de condensateurs doit pouvoir fournir une puissance réactive un peu supérieure à celle que la machine absorbe lorsqu'elle fonctionne à pleine charge comme moteur.

En plus, les condensateurs doivent fournir la puissance réactive absorbée par la charge. Enfin, pour assurer l'amorçage, on doit appliquer la charge seulement après l'établissement de la tension.

Exemple 34-3

On désire utiliser un moteur triphasé 30 hp, 1760 r/min. 440 V, 60 Hz comme génératrice asynchrone sur un réseau à 140 V. 60 Hz.

Le courant nominal du moteur est de 41 A, et son facteur de puissance est de 84%. De plus, on veut ajouter un banc de condensateurs afin que la génératrice, vue du réseau, fonctionne à un facteur de puissance de 100 %. Le moteur est entraîné par une turbine hydraulique.

Calculer

a) la capacitance requise si les condensateurs sont raccordés en triangle

b) la vitesse approximative de la génératrice lorsqu'elle est chargée à pleine capacité

Solution

a) La puissance apparente de la machine lorsqu'elle fonctionne comme moteur est:

S= EI√3 = 440 x 41 x 1,73 = 31,2 kVA

La puissance active correspondante est :

P = S x FP = 31,2 x 0,84 = 26,2 kW

La puissance réactive correspondante est :

Lorsque la machine marche comme génératrice asynchrone, la batterie de condensateurs doit fournir au moins 17 / 3 = 5,7 kvar par phase.

Puisque les condensateurs sont connectés en triangle, la tension aux bornes est de 440 V.

La réactance capacitive est donc :

X_c = E² / Q = 440² / 5700 = 34Ω

La capacitance par phase est:

b) Pour que la génératrice débite sa puissance nominale, la turbine doit tourner à une vitesse supérieure à la vitesse synchrone.

Lorsque la machine fonctionne en moteur la vitesse de glissement est:

n_g = n_s - n = 1800 - 1760 = 40 r/min

Pour obtenir la même puissance lorsque la machine fonctionne en génératrice, la vitesse de glissement doit être approximativement la même.

D'où la vitesse d'entraînement:

n = 1800 + 40 = 1840 r/min

Un cas particulier de l'autogénération par condensateurs mérite notre attention. Lorsqu'un condensateur est branché aux bornes d'un moteur dans le but d'améliorer le facteur de puissance, la tension peut grimper bien au-dessus de sa valeur nominale lors de l'ouverture du disjoncteur situé en amont du groupe condensateurs/moteur.

En effet, à cause de son inertie, le moteur continue à tourner après que la source ait été débranchée, ce qui correspond à un fonctionnement en génératrice asynchrone à vide. La surtension risque d'endommager les condensateurs ou d'autres composants du montage.

Convertisseur de fréquence

Une application intéressante du moteur à rotor bobiné est son utilisation comme convertisseur de fréquence.

Lorsqu'on désire une fréquence différente de celle de réseau, on entraîne le rotor avec un moteur M et on alimente le stator par le réseau (Fig. 34-14).

Figure 34-14 Convertisseur de fréquence utilisant un moteur à rotor bobiné entraîné par un moteur à cage d'écureuil

La machine à rotor bobiné se comporte alors comme un transformateur rotatif; le stator constitue le primaire et le rotor alimentant la charge à une fréquence différente constitue le secondaire.

Le fonctionnement d'un convertisseur de fréquence est identique à celui d'un moteur asynchrone sauf que la puissance Per, ordinairement dissipée dans le rotor, est disponible pour alimenter une charge. Le convertisseur agit donc comme une génératrice. Le cheminement des puissances actives se fait selon le schéma de la Fig. 34-15.

Figure 34-15 Cheminement des puissances actives dans un convertisseur de fréquence. La puissance P_e fournie au stator du convertisseur est transmise au rotor bobiné, à l'exception des pertes dissipées dans le stator. La puissance mécanique P_m fournie au rotor par le moteur à cage d'écureuil s'ajoute à la puissance Pr pour donner la puissance totale P_jr débitée par le rotor.

La fréquence f_r et la tension Eaux bornes du rotor dépendent du glissements. Leurs valeurs sont données par les expressions (33-3) et (33-4), f_r = sf et E = sE₀

En général, la fréquence désirée est de deux à trois fois celle du réseau.

Exemple 34-4

Soit un moteur à rotor bobiné de 30 kW, 440 V, 900 r/min, 60 Hz.

À circuit ouvert. le stator étant alimenté à 440 V, la tension entre les bagues est de 240 V.

On se propose d'utiliser ce moteur connue convertisseur de fréquence pour produire une puissance de 60 kW à une fréquence de 180 Hz.

La fréquence du réseau étant de 60 Hz, déterminer:

a) la vitesse et la puissance du moteur asynchrone M entraînant le convertisseur

b) la tension approximative aux bornes de la charge

Solution

a) On désire générer une fréquence de 180 Hz lorsque le stator est alimenté à 60 Hz.

Cela nous permet de calculer le glissement s.

D'après l'équation (33-3) on a:

f_r = sf

180 = s x 60

d'où s = 3

D'autre part, d'après l'équation (33-2) on a:

s = (n_s - n) / n_s

3 = (900 - n) / 900

d'où n = - 1800 r/min

On doit donc entraîner le convertisseur à une vitesse de 1800 r/min.

Le signe négatif signifie que l'on doit entraîner le rotor dans le sens inverse du champ tournant.

En se référant à la Fig. 34-15, la puissance P_jr que l'on veut fournir à la charge vaut:

P_jr = sP_r = 60 kW

d'où P_r = 60 / 3 = 20 kW

La puissance transmise du stator au rotor du convertisseur est donc de 20 kW.

Le reste de la puissance requise par la charge doit donc provenir de la puissance mécanique fournie à l'arbre soit:

P_m = P_jr - P_r = 60 - 20 = 40 kW

La puissance mécanique fournie à l'arbre du convertisseur est de 40 kW et la puissance électrique fournie à son stator est de 20 kW.

L'écoulement des puissances est montré à la Fig. 34-16.

Figure 34-16 Voir exemple 34-4. Dans cette figure, on a négligé les pertes dans le rotor et le stator du convertisseur.

Le moteur asynchrone M entraînant le convertisseur doit donc avoir une puissance de 40 kW à 1800 r/min. Le stator du convertisseur ne surchauffera pas.

En effet, il absorbera une puissance P_e légèrement plus grande que 20 kW pour suppléer aux pertes Joule P_js et les pertes dans le fer P_f.

Or, cette puissance est bien inférieure à sa puissance nominale de 30 kW. Le rotor ne surchauffera pas non plus, même s'il débite une puissance de 60 kW.

La puissance accrue provient du fait que la tension induite dans le rotor est trois fois plus élevée qu'au repos, car la vitesse relative du rotor par rapport au champ tournant est trois fois plus grande qu'au repos.

Cependant, les pertes dans le fer du rotor seront élevées, car la fréquence y est de 180 Hz ; mais comme le rotor tourne à deux fois sa vitesse normale, le refroidissement est plus efficace.

b) La tension approximative aux bornes de la charge sera:

E= sE₀ = 3 x 240V = 720V

En fait, à cause de la chute dans les résistances et les réactances de fuite des enroulements, la tension sera légèrement inférieure à 720 V.

Exemple 34-5

On désire construire une source triphasée pouvant fournir 20 kW à 50 Hz, en se servant du réseau à 60 Hz et d'un moteur à rotor bobiné ayant 4 pôles.

En négligeant les pertes dans le cuivre, dans le fer et par frottement.

calculer :

a) la puissance approximative du moteur à rotor bobiné

b) la puissance approximative et la vitesse du moteur qui l'entraîne

Solution

a) Afin d'obtenir une fréquence fr de 50 Hz, il faut que le glissement soit:

s = f_rlf= 50/60 = 5/6 éq. 33-3

En se référant à la Fig. 34-15, on constate que la puissance de 20 kW débitée par le convertisseur est égale à sP_r.

Donc, P_r = 20 kW/s = 20/(5/6) = 24 kW.

Comme la puissance Pr est à peu près égale à P_e, il s'ensuit que la puissance approximative du moteur à bagues est de 24 kW.

b) Le stator du moteur à bagues fournit 24 kW au rotor, alors que la charge n'en absorbe que 20 kW.

Il en résulte que le moteur qui entraîne le moteur à bagues doit recevoir une puissance P_m de 24 kW - 20 kW = 4 kW.

Dans ce cas, si l'on se réfère à la Fig. 34-15, la flèche Pm doit pointer dans le sens inverse. Le moteur fonctionne donc en génératrice asynchrone, et il retourne les 4 kW au réseau à 60 Hz.

La vitesse de glissement est 5/6 x 1800 = 1500 r/min.

Par conséquent, le rotor à bagues doit tourner à (1800 -1500) = 300 r/min.

À cette basse vitesse, il est plus économique d'employer un moteur de 4 kW dont la vitesse synchrone est de 1800 r/min accouplé à une boîte de vitesses dont le rapport est de 6 à 1.

Si on utilise un moteur asynchrone, sa vitesse sera légèrement supérieure à 1800 r/min.

Par conséquent, la fréquence générée sera légèrement inférieure à 50 Hz.

Caractéristique couple/vitesse complète d'une machine asynchrone

On a vu qu'une machine asynchrone peut fonctionner comme moteur, comme génératrice ou comme frein.

Ces trois modes de fonctionnement suivent une transition graduelle qui devient évidente quand on trace la courbe donnant le couple en fonction de la vitesse (Fig. 34-17). Cette courbe et les schémas donnant la répartition des puissances actives résument le comportement global de toutes les machines asynchrones triphasées.

Figure 34-17 Courbe généralisée donnant le couple en fonction de la vitesse d'une machine asynchrone. Noter le sens des puissances dans les trois modes d'opération

Expression du couple en fonction de la vitesse

La Fig. 34-17 donne la caractéristique généralisée du couple en fonction de la vitesse pour les trois modes de fonctionnement d'une machine asynchrone.

La machine fonctionne normalement comme moteur, développant un couple variant entre zéro et le couple de pleine charge TN.

Or, entre ces limites, la courbe donnant le couple en fonction de la vitesse est essentiellement une ligne droite (Fig. 34-18).

Figure 34-18 La courbe du couple en fonction de la vitesse entre le régime à vide et la pleine charge est une droite

À tension constante, la pente de cette droite dépend surtout de la résistance du rotor: plus la résistance est grande, plus la pente est faible.

En fait, on peut prouver que le glissement s, le couple T, la tension d'alimentation E et la résistance du rotor R sont liés par la relation :

s= kTR / E²    (34-1)

où k est une constante qui dépend de la construction du moteur.

Cette relation est très intéressante car elle permet d'estimer la vitesse d'un moteur, son couple, son rendement, etc., pour n'importe quel point de fonctionnement, simplement à partir de ses caractéristiques nominales.

La relation 34-1 peut en effet s'écrire sous la forme:

    (34-2)

où

N = indice spécifiant les conditions de fonctionnement données, lesquelles peuvent correspondre aux indications données sur la plaque signalétique

X = indice spécifiant les nouvelles conditions de fonctionnement s glissement

T = couple [N•m]

R = résistance du rotor [Ω]

E = tension aux bornes du stator [V]

La seule restriction concernant cette formule est que le couple T_X doit être inférieur à T_N(E_X/E_N)².

Dans ces circonstances, la formule (34-2) donne une précision meilleure que ± 5 %, ce qui suffit pour résoudre la majorité des problèmes pratiques.

 Exemple 34-6

Lin moteur asynchrone triphasé classe I) de 40 kW, 1050 r/min, 575 V, 60 Hz (Fig. 34-19a), fonctionne à un endroit particulièrement chaud.

La tension d alimentation est temporairement de 420 V au lieu de 5 \. Sachant que la charge impose un couple de 80 N -in et que la résistance du rotor est de II) ,,c plus élevée que sa valeur nonreile (Fig. 3-1-19b).

Figure 34-19 Voir exemple 34-6

Calculer :

a) la vitesse du moteur

b) les pertes Joule dans le rotor

Solution

a) Calculons d'abord les caractéristiques nominales du moteur:

Une vitesse nominale de 1050 r/min indique qu'il s'agit d'une machine à 6 pôles dont la vitesse synchrone est de 1200 r/min.

S_N = (1200 - 1050)/1200 = 0,125

T_N = 9,55 P / n = 9,55 x 40 000 / 1050 = 364 N•m

E_N = 575 V

Vérifions si le nouveau couple (80 N•m) est dans les limites d'utilisation de la formule (34-2):

T_x < TN (E_X/E_N)²

T_x < 364 (420/575)²

T_x < 194 N•m

Comme le couple Tx (80 N•m) est inférieur à 194 N •m. on peut utiliser l'expression (34-2), soit:

Vitesse approximative du moteur:

n_x = 1200 (1 - 0,0566) = 1132 r/min

b) Puissance mécanique:

P_m = nT / 9,55 = 1132x 80 / 9,55 = 9,48 kW

Puissance fournie au rotor :

P_r = P_m / (1 - s) = 9,48 kW / (1 - 0,056) = 10,0 kW

Pertes Joule dans le rotor:

P_jr = sP_r = 0,0566 x 10,0 kW = 0,566 kW = 566 W

Exemple 34-7

Un moteur triphasé à rotor bobiné de 110 kW, 1760 r/min, 2,3 kW, 60 Hz entraîne un convoyeur (Fig. 34-20a).

Figure 34-20 Voir exemple 34-7

Le rotor est raccordé en étoile et la tension entre les bagues à circuit ouvert est de 530 V.

Déterminer:

a) la résistance à placer en série avec le rotor (par phase) pour que le moteur développe une puissance de 20 kW à une visse de 150 r/min lorsque la tension aux bornes du stator est de 2,4 kV (Fig. 34-20b)

b) la puissance dissipée dans les résistances

 Solution

a) Vitesse synchrone = 1800 r/min

Glissement à 450 r/min:

S = (1800 - 450) / 1800 = 0,75

Puissance mécanique P_m = 20 kW

Puissance P_r fournie au rotor:

P_r = P_m / (1 - s) = 20 kW / (1 - 0,75) = 80 kW

Puissance P_jr dissipée dans le circuit du rotor:

P_jr = sP_r éq.33-7

= 0,75 x 80 kW = 60 kW

Tension approximative induite entre les bagues du rotor:

E₂ = sE_co, éq. 33-4

= 0,75 x 530 x 2.4kV / 2,3 kV = 415 V

Les trois résistances extérieures, connectées en étoile, ont chacune une valeur approximative de:

R_ext = E²_LL / P = 415² / 60 000 =  2,9 Ω

b) La puissance dissipée dans les trois résistances est de 60 kW.

LA MACHINE ASYNCHRONE À DOUBLE ALIMENTATION

Une machine asynchrone à rotor bobiné peut être alimentée par deux sources distinctes branchées respectivement au stator et au rotor.

Cette machine, appelée « machine asynchrone à double alimentation », est utilisée dans des applications requérant une vitesse variable.

Elle peut être utilisée comme moteur pour, par exemple, entraîner des pompes. Elle est aussi utilisée dans les éoliennes comme génératrice à vitesse variable. Les sections qui suivent décrivent le principe de fonctionnement et les caractéristiques de cette machine.

Moteur asynchrone à double alimentation

Avant d'introduire la machine ,asynchrone à double alimentation, revenons au moteur à rotor bobiné présenté dans les sections précédentes. Comme d'habitude, son stator est branché à une source de fréquence de 60 Hz ou de 50 Hz.

Cependant, au lieu de brancher au rotor une charge résistive triphasée à travers un ensemble de bagues et balais (comme sur la Fig. 33-20 section Moteurs asynchrones triphasés) , relions plutôt le rotor à une deuxième source ayant une fréquence de, disons, 14 Hz (Fig. 34-21).

Figure 34-21 Moteur à rotor bobiné à double alimentation connecté à deux sources triphasées

Comment se comporte cette machine à double alimentation?

Supposons que les enroulements triphasés du stator et du rotor de notre machine aient chacun 4 pôles et que le stator soit branché à une source à 60 Hz. Le flux créé par le stator tourne à la vitesse synchrone ns = 120f/p = 120 x 60/4 =1800 r/min.

 Supposons de plus que ce flux tourne dans le sens horaire.

Un observateur externe « voit » donc ce flux statorique tourner dans le sens horaire à 1800 r/min.

Puisque le rotor est branché à une source à 14 Hz, celui-ci produit un flux tournant à une vitesse n2 = 120f/p = 120 x 14/4 = 420 r/min par rapport au rotor.

Supposons de plus que ce flux tourne également dans le sens horaire par rapport au rotor.

Pour que les pôles N du stator restent alignés aux pôles S du rotor, il faut que notre observateur externe voie les pôles du rotor tourner à la même vitesse que les pôles du stator. Il s'ensuit que le flux rotorique doit tourner dans le sens horaire à 1800 r/min.

Cela implique que le rotor doit lui-même tourner à une vitesse de 1800 - 420 = 1380 r/min.

Toute autre vitesse produirait en effet un glissement continuel des pôles du rotor par rapport aux pôles du stator. Le couple moyen serait alors nul et le moteur s'arrêterait.

On constate donc que cette machine peut fonctionner en moteur si, et seulement si, sa vitesse est exactement de 1380 r/min. On dit alors qu'elle fonctionne à une vitesse sous-synchrone.

En permutant deux des trois fils de la source à 14 Hz reliée aux balais, on force le flux tournant produit par le rotor à changer de sens par rapport au rotor (sens antihoraire).

 Dans ces conditions, pour que les pôles N du stator restent alignés avec les pôles S du rotor, il faut que le rotor tourne maintenant à une vitesse de 1800 + 420 = 2220 r/min.

On dit alors que le moteur fonctionne à une vitesse hyper-synchrone. À partir de cet exemple, on peut généraliser et montrer que lorsqu'un moteur à rotor bobiné est alimenté par deux sources, il doit tourner à une des deux vitesses suivantes :

n = 120/p (f - f₂)     (34-3a)

ou

n = 120/p (f + f₂)     (34-3b)

où

n = vitesse du rotor [r/min]

f = fréquence appliquée au stator [Hz]

f₂ = fréquence appliquée au rotor [Hz]

p = nombre de pôles du stator et du rotor

Pour une fréquence f₂ donnée, la vitesse n dépend de la séquence des phases de la tension triphasée appliquée au rotor.

Une séquence directe produit une vitesse sous-synchrone (éq. 34-3a), alors qu'une séquence inverse produit une vitesse hyper-synchrone (éq. 34-3b).

Pour un moteur à cage ou un moteur à rotor bobiné relié à une charge résistive, on sait comment se répartit la puissance provenant de la source (Fig. 34-22).

Figure 34-22 Cheminement de la puissance dans un moteur à rotor bobiné

Mais comment se répartit la puissance dans cette machine reliée à deux sources ?

Considérons d'abord la Figure 34-22 montrant la répartition de la puissance active dans une machine à rotor bobiné avec une charge résistive R branchée au rotor.

Le cheminement de la puissance de la source à la charge est expliqué ci-dessous. Le lecteur a tout avantage de suivre minutieusement les 8 étapes, de même que les informations correspondantes données à Fig. 34-22.

1) La source triphasée E_s fournit une puissance active P_e au stator.

2) Après soustraction des pertes Joule P_js dans le stator et des pertes fer P_f, la puissance résultante P_r est transmise au rotor à travers l'entrefer.

3) Avec un glissement s, une portion s_Pr de la puissance P_r est dissipée en chaleur.

Ces pertes correspondent à la somme des pertes Joule dans le rotor (P_jr) et dans les résistances externes R (P_jr).

4) La différence P_r - sP_r est convertie en puissance mécanique P_m transmise à l'arbre, soit P_m = ( 1- s)P_r.

5) On doit soustraire les pertes par friction et ventilation P_v pour obtenir la puissance mécanique nette P_L transmise à la charge.

6) Introduisons maintenant la relation entre le glissements, la fréquence statorique f et la fréquence rotorique f₂.

D'après l'équation 33-3, f₂ = sf, soit s = f_2lf

7) On peut maintenant exprimer la puissance mécanique en fonction de la fréquence statorique f, de la fréquence rotorique f₂ et de la puissance P_r transmise au rotor, soit : P_m = (1 - f₂lf)P_r

La puissance électrique fournie par le rotor est P_r - P_m = (f₂lfP_r. Cette puissance est dissipée sous forme de chaleur dans les enroulements du rotor (P_jr) et dans les résistances externes (P_jR).

8) Le couple développé par le moteur est toujours donné par

Tm = 9,55 P_r / n_s    éq. 33-9

Après ce rappel sur le fonctionnement du moteur à rotor bobiné, revenons à notre machine à double alimentation fonctionnant en mode sous-synchrone et en mode hyper-synchrone.

Moteur à double alimentation en mode sous-synchrone

Lorsque le moteur à rotor bobiné est alimenté par une source de tension E_s de fréquence f au stator, et une source E_R de fréquence f₂ au rotor, le glissement s est automatiquement imposé, soit s = f₂lf.

La vitesse du moteur est donc également imposée par la relation n = n_s(1 - s) = n_s(1 - f₂lf).

Comme la vitesse du moteur est imposée, on peut considérer cette machine comme un type spécial de moteur synchrone.

En particulier, lorsque la fréquencef2 appliquée au rotor est nulle (rotor alimenté en c.c.), la machine tourne à la vitesse synchrone

n = n_s(1 - s) = n_s(1 - f₂lf = n_s(1 - 0/f) = ns.

Quoi qu'il en soit, les relations fournies plus haut pour le moteur à rotor bobiné restent valables. La Fig. 34-23 montre la répartition de puissance pour la machine à double alimentation tournant à vitesse sous-synchrone.

Figure 34-23 Cheminement de la puissance dans un moteur à double alimentation en mode sous-synchrone

La puissance mécanique P_m est encore donnée par

    (34-4)

De plus, la puissance électrique fournie par le rotor est encore (f₂lf)P_r 

Une partie P_jr de cette puissance est dissipée dans la résistance du rotor et le reste P_jr est absorbé par la source E_R. Il est intéressant de noter que le couple développé par le moteur est encore donné par la relation

 T_m = 9,55 P_r / n_s      éq. 33-9

Moteur à double alimentation en mode hyper-synchrone

Lorsque l'on inverse la séquence des tensions appliquées au rotor, le moteur tourne à une vitesse hypersynchrone.

Dans ces circonstances, la puissance électrique s'inverse dans le rotor, mais sa valeur est encore donnée par (f₂lf)P_r (Fig. 34-24).

Figure 34-24 Cheminement de la puissance dans un moteur à double alimentation en mode hyper-synchrone

Dans ce cas, la source E_R fournit de la puissance P_er au rotor.

La puissance mécanique développée par le rotor est donc:

    (34-5)

Le couple est toujours donné par la relation :

T_m = 9,55 P_r / n_s      éq. 33-9

Ce moteur à double alimentation est parfois utilisé pour entraîner des charges à vitesse variable. La source de tension E_R est alors un convertisseur raccordé au réseau à 60 Hz ou 50 Hz et générant une fréquence f₂ variable.

L'utilisation d'un convertisseur au lieu de résistances permet de faire varier la vitesse dans une plus grande gamme (Fig. 34-25) et de retourner dans le réseau la puissance qui devrait autrement être gaspillée dans les résistances.

Figure 34-25 L'approvisionnement en eau potable de la ville de Stuttgart, en Allemagne, est assuré par un pipeline de 1,6 m de diamètre et 110 km de long, alimenté par les eaux du lac de Constance dans les Alpes.

La pompe visible en arrière-plan est actionnée par un moteur à rotor bobiné de 3300 kW, 425 à 595 r/min, 5 kV, 50 Hz. La vitesse variable du moteur permet de régler le débit d'eau selon les besoins de la ville. Le refroidissement du moteur blindé est assuré par un échangeur de chaleur air/eau utilisant l'eau froide du lac à 5 °C.

Pendant le démarrage, on utilise un rhéostat liquide, après quoi le rotor est branché aux onduleurs (situés contre le mur) qui réinjectent l'énergie de glissement dans le réseau

Générateur asynchrone à double alimentation

Le moteur asynchrone à double alimentation que nous venons de décrire peut fonctionner en générateur.

Il suffit pour ce faire d'appliquer à l'arbre un couple dont le sens est tel qu'il tend à faire augmenter la vitesse sous-synchrone ou hyper-synchrone.

Sous l'effet de ce couple les pôles du rotor avancent légèrement en avant des pôles du stator, mais la vitesse en régime permanent reste inchangée.

Par contre, les puissances circulant dans le stator et dans le rotor changent de sens comme l'indiquent la Fig. 34-26 (mode sous-synchrone) et la Fig. 34-27 (mode hyper-synchrone).

Figure 34-26 Cheminement de la puissance dans un générateur à double alimentation en mode sous-synchrone

Figure 34-27 Cheminement de la puissance dans un générateur à double alimentation en mode hyper-synchrone

La transition du mode sous-synchrone au mode hyper-synchrone s'effectue en changeant la séquence des phases de la tension E_R.

L'exemple 34-8 qui suit illustre la répartition des puissances dans un générateur à double alimentation en mode sous-synchrone entraîné par une turbine éolienne.

En plus de pouvoir fonctionner à vitesse variable, le générateur asynchrone à double alimentation possède un autre avantage par rapport à la machine asynchrone à cage : il permet de fournir une puissance à facteur de puissance unitaire.

Pour ce faire, on ajuste l'amplitude de la tension E_R. Il n'est donc plus nécessaire d'installer des bancs de condensateurs aux bornes du stator pour lui fournir la puissance réactive.

Exemple 34-8